Memorias cuánticas de cristal para habilitar las comunicaciones cuánticas

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