Los científicos lograron entrelazar 'memorias' cuánticas

Artículo publicado originalmente por VICE en inglés.

Tomemos una computadora común y otorguémosle los extraordinarios poderes del mundo subatómico. Es decir, el mundo de lo increíblemente pequeño, donde la materia hace cosas asombrosas, como existir en dos lugares a la vez. Entonces tendríamos una computadora cuántica, una hazaña que no es poca cosa.

Las computadoras cuánticas pueden resolver ciertos algoritmos mucho más rápido que las computadoras clásicas. Pero tener una computadora cuántica por sí sola no es suficiente. Intentemos enviar una señal de esta computadora cuántica a otra, al otro lado del mundo. Es una función muy importante, como lo demuestra la existencia de Internet y todas sus ventajas. Entonces, ¿qué tan difícil podría ser? Sorprendentemente, en la actualidad, las computadoras cuánticas no pueden realizar llamadas de larga distancia. Aún no hemos logrado enviar señales cuánticas a través de grandes distancias de manera confiable.

Una solución alternativa es enviar señales a lo largo de muchos viajes cortos y almacenarlas en memorias entre cada viaje. Ahora, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de España han demostrado cómo mejorar drásticamente el método para usar “memorias” cuánticas. Transmiten con éxito señales que duran aproximadamente 1.000 veces más que lo demostrado en experimentos anteriores. Estas señales están codificadas por partículas que han sido “entrelazadas”, aprovechando un fenómeno que es fundamental para la mecánica cuántica. El nuevo experimento fue publicado en Nature.

“Si bien ya se ha demostrado el entrelazamiento entre dos memorias de ese tipo, se hizo con una técnica que no se puede extender directamente a la comunicación a larga distancia”, escribieron los autores.

Las señales entre las computadoras cuánticas, generalmente concebidas como fotones individuales o partículas de luz, presentan un problema. Tienden a desvanecerse, son volátiles, por razones completamente de índole cuántica. A diferencia de las señales eléctricas estándar, es mucho más difícil amplificarlas sin estropearlas.

Por lo tanto, uno de los principales objetivos es descubrir cómo enviar señales de manera confiable. Uno de los métodos clave que considera el estudio es cortar el medio de comunicación (digamos, un cable de fibra óptica) en partes más pequeñas. En lugar de enviar un fotón por todo el mundo, podrías enviarlo de casa en casa, por ejemplo, o de ciudad en ciudad, antes de que tenga tiempo de degradarse. En cada punto de la ruta, el fotón se almacenaría y luego el siguiente canal lo recuperaría. En otras palabras, la idea es equipar cada trozo diminuto de cable con pequeñas unidades de almacenamiento de memoria en ambos extremos, que se sincronizan con los extremos de los cables contiguos.

Las computadoras clásicas también almacenan y recuperan señales en muchos segmentos diferentes de una red. Sin embargo, a las computadoras cuánticas se les complica más. Por lo general, la señal está compuesta de fotones que supuestamente están entrelazados con otros fotones. Para entenderlo, podemos pensar que las partículas entrelazadas están unidas entre sí, pero actúan de manera opuesta, como un conjunto de dos monedas que de alguna manera siempre aterrizan en caras opuestas. Incluso si las dos monedas se llevan a los extremos opuestos del universo, siempre que se mantenga el entrelazamiento, compartirán esta correlación de “oposición”.

Si recuperamos un fotón entrelazado en un extremo del cable, que ha aterrizado en “cruz” en el lanzamiento de una moneda, entonces nos dice algo sobre el fotón en el otro extremo: que ha aterrizado en “cara”. Las computadoras cuánticas utilizan este fenómeno para transmitir información.

Sin embargo, debido a otro fenómeno llamado decoherencia, el acto de medir el fotón destruye el entrelazamiento. Una vez que mides cara o cruz en un extremo del segmento, se pierde el entrelazamiento. Ya no puedes entrelazar esa moneda con la siguiente para mantener el entrelazamiento original fluyendo.

El truco para la señalización cuántica es, por lo tanto, pasar fotones por cada canal repetido sin perder el entrelazamiento. Sin embargo, el truco también es asegurarse de que los fotones estén entrelazados de manera confiable, sin medirlos, lo que destruiría el entrelazamiento. De alguna manera, debes saber que las monedas caerán en diferentes caras, sin siquiera mirar.

En el experimento, los investigadores analizaron una configuración que contiene un tramo de cable de fibra óptica con un trozo de “memoria” cuántica en cada extremo. Al igual que la memoria en una computadora clásica, se supone que la memoria cuántica almacena información de manera confiable para poder recuperarse después. Los investigadores utilizaron un tipo particular de memoria cuántica hecha de cristal. Cuando es golpeado por un fotón, el cristal vibra de una manera distintiva, diferente dependiendo de si el fotón es cara o cruz. De esta forma, el cristal codifica la información de entrelazamiento. (En realidad, los fotones no tienen dos caras como una moneda, sino propiedades más matizadas como la polarización o el spin, que de cualquier modo se codifican de forma análoga).

Con su configuración, demostraron que los fotones mantienen el entrelazamiento en cada pieza de memoria cuántica, incluso después de que ha pasado un tiempo relativamente largo. Esto significa que podrían generarse nodos robustos en una red repetitiva. El mantenimiento del entrelazamiento está indicado por la liberación de un fotón separado, llamado fotón “heraldo”, que solo se emite cuando las dos partículas están entrelazadas.

Debido a que estos fotones heraldos son generados en frecuencias de telecomunicación estándar, los investigadores creen que esto se traduce en sistemas que pueden desplegarse en el campo y usarse en redes verdaderas entre computadoras cuánticas, o en otras palabras, un internet cuántico.

Como dijo el coautor Hugues de Riedmatten en un comunicado de prensa: “El siguiente pasos es llevar el experimento fuera del laboratorio para tratar de vincular diferentes nodos y distribuir el entrelazamiento en distancias mucho mayores”.