En términos sencillos, el entrelazamiento cuántico se produce cuando
partículas tales como fotones y electrones interactúan físicamente para
después separarse sin dejar de conservar una conexión estrecha, aunque
entre ellas medie una distancia de miles de kilómetros. Aunque este
fenómeno desafíe al sentido común, a los instintos y a nuestra
experiencia con el mundo físico, lo cierto es que el observador de
determinada partícula situada en Tokio obtendría exactamente las mismas
propiedades que poseyese otra entrelazada con ella pero situada en
Bruselas.
Un par de sistemas cuánticos fotónicos que compartan un estado de
entrelazamiento puede aprovecharse como canal de información cuántica
con el fin de realizar tareas computacionales, comunicativas y
criptográficas inalcanzables para los sistemas clásicos. Un aspecto
relacionado y crucial de cara a aplicaciones de comunicación es que,
dado que los pares de fotones poseen un vínculo intrínseco, ofrecen
seguridad y fidelidad absolutas, ya que si se mide un fotón, revelará
con completa certeza lo mismo que revelaría el otro fotón si fuera
medido. Asimismo, si la señal fuera interceptada por un tercero, esto
sería detectado de manera inmediata, puesto que para interceptar el
mensaje habría que desbaratar el entrelazamiento. Y una vez se rompe
este, no se puede recuperar. Estas propiedades abren todo un mundo nuevo
de aplicaciones.
«Las aplicaciones de las tecnologías cuánticas se encuentran aún en
un estadio muy incipiente. Quizás aún no seamos conscientes siquiera de
la mayoría de aplicaciones que tendrán en el futuro -señaló el profesor
Nicolas Gisin del Grupo de Física Aplicada de la Universidad de Ginebra
(Suiza)-. Para la población actual, probablemente esas aplicaciones
futuras de las tecnologías cuánticas parecerían fruto de la magia».
La computación cuántica podría permitir solucionar determinada
consulta (por ejemplo, relacionada con el desciframiento de un código)
examinando todas las combinaciones posibles de una vez. Los ordenadores
actuales tardarían años en comprobar todas esas combinaciones posibles,
pero un ordenador cuántico sería capaz de probarlas todas al mismo
tiempo. El entrelazamiento cuántico podría permitir una comunicación
instantánea o incluso teletransportar objetos sólidos.
El profesor Gisin e investigadores de cuatro países europeos
(Francia, Alemania, Suecia y Suiza) han dado un paso adelante importante
de cara a hacer realidad esa clase de «magia». Se espera que su labor
contribuya al desarrollo de aplicaciones comerciales de tecnologías
cuánticas de comunicación a lo largo del próximo decenio.
El consorcio responsable del proyecto «Quantum repeaters for long
distance fibre-based quantum communication» (QUREP), al que la Comisión
Europea concedió una financiación por valor de 1,9 millones de euros, ha
logrado avances trascendentales para la construcción de un repetidor
cuántico capaz de emitir señales cuánticas a mayores distancias, dando
así un paso más hacia las comunicaciones cuánticas de largo recorrido.
Ya se ha demostrado que la comunicación cuántica es posible en
distancias cortas, pero hasta ahora no se disponía de los medios para
separar, de un modo fiable, fotones entrelazados a mayores distancias.
Los investigadores participantes en QUREP han realizado adelantos
notables con vistas a solucionar este problema desarrollando componentes
clave de un repetidor cuántico. El repetidor cuántico se asemeja a los
repetidores que se utilizan en las comunicaciones habituales en la
actualidad. Su función es amplificar la señal recibida por un lado y
repetirla por otro lado, de tal modo que la señal no pierda fuerza a
medida que se desplaza.
«Los repetidores cuánticos son los componentes esenciales de las
comunicaciones cuánticas a larga distancia. Deben tener la capacidad
para transferir el entrelazamiento a decenas de kilómetros, memorias
cuánticas e intercambiar el entrelazamiento mediante mediciones
conjuntas de pares de fotones. Nosotros nos concentramos en las memorias
cuánticas, que plantean el mayor reto», explicó el profesor Gisin. «Los
resultados que hemos obtenido son muy alentadores, aunque está claro
que queda mucho por hacer para avanzar en esta tecnología hasta alcanzar
un grado de desarrollo adecuado para su aprovechamiento a escala
industrial».
El equipo responsable construyó memorias cuánticas en estado sólido a
partir de cristales dopados con iones de tierras raras que absorben un
fotón de la señal recibida por un lado y emiten, por el otro lado, otro
fotón nuevo que posee propiedades de entrelazamiento idénticas.
«El ancho de banda de las memorias cuánticas plantea un reto
inmenso», señaló el profesor Gisin. «Nuestras memorias cuánticas poseen
un ancho de banda relativamente grande en comparación con el ofrecido
por los métodos alternativos. Aún así, están limitadas a unos pocos
cientos de megahercios (MHz). Por ello, uno de nuestros propósitos era
desarrollar fuentes de fotones entrelazados con anchos de banda
compatibles y una estabilidad elevada. Una vez logrado, pudimos
demostrar el entrelazamiento entre dos de nuestras memorias cuánticas».
En las pruebas realizadas, el equipo científico consiguió enviar el
fotón señal al cristal en el que quedaría almacenado, mientras que el
otro fotón, denominado gemelo (idler), quedaba retenido en el origen. A
continuación, el foto señal se pudo detectar en un laboratorio situado a
cincuenta metros de distancia del Grupo de Física Aplicada. Al medirlo,
reveló con certeza absoluta el resultado de la medición practicada en
el fotón gemelo.
«El empleo de conjuntos grandes de iones simplifica enormemente el
acoplamiento entre los fotones y la memoria, tanto para su almacenado
como para su recuperación. Y trabajamos a unos tres kelvin, una
temperatura relativamente fácil de alcanzar y compatible con los mejores
detectores de fotones únicos superconductores -informó el profesor
Gisin-. Pocos proyectos son capaces de reunir todas las tecnologías y
los conocimientos que se necesitan para demostrar la viabilidad de los
repetidores cuánticos, y QUREP es indudablemente uno de ellos».
A pesar de todo, para que esta tecnología salga del ámbito del
laboratorio y dé lugar a aplicaciones concretas, habrá que superar
varios escollos fundamentales.
«Los aspectos que quedan por solucionar son la prolongación de los
tiempos de memoria (hasta un segundo), ampliar la eficiencia (hasta el
80 %) e incrementar la eficiencia de las fuentes de la señal. Incluso
entonces, lograr que todos estos elementos funcionen como un todo
planteará un inmenso reto de ingeniería», reconoció el profesor Gisin.
Los integrantes del consorcio, entre los que hay prestigiosos
institutos científicos y empresas, pretenden prolongar su investigación
sobre los repetidores cuánticos y, más adelante, se plantean explotar el
trabajo realizado en proyectos comerciales.
Para hacer realidad aplicaciones comerciales, el coordinador de
QUREP anticipa que será necesario demostrar la viabilidad de usar un
repetidor cuántico en comunicaciones directas, así como realizar un
análisis muy preciso de las simplificaciones, la industrialización y
abaratar los costes de desarrollo y fabricación.
En sus propias palabras: «Opino que todo esto es factible, pero aún
les llevará bastante tiempo a los físicos. Existe una distancia inmensa
entre la investigación académica y el aprovechamiento industrial.
Considero que hemos avanzado enormemente para acortar esa distancia,
pero se necesitará otro avance de dimensiones similares para posibilitar
un proyecto de ingeniería capaz de desarrollar un producto [con estas
tecnologías]. En el marco de QUREP hemos identificado con exactitud los
escollos que aún quedan por sortear así como opciones prometedoras para
superarlos».
La investigación de QUREP fue subvencionada por el Séptimo Programa Marco (7PM) de la Unión Europea.
Enlace al proyecto en CORDIS:
-
el 7PM en CORDIS-
ficha informativa del proyecto QUREP en CORDIS
Enlace a la página web del proyecto:
-
web del proyecto «Quantum repeaters for long distance fibre-based quantum communication»
Otros enlaces:
-
web de la Comisión Europea dedicada a la Agenda Digital
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