Los investigadores en el campo de la comunicación cuántica han realizado recientemente grandes avances, acercándonos a un método de comunicación perfectamente seguro.

Durante años, los investigadores tuvieron dificultades para encontrar formas de amplificar las señales cuánticas, almacenar grandes cantidades de datos cuánticos y permitir más de dos nodos en una red cuántica. Sin embargo, en los últimos dos meses, se han encontrado soluciones a estos tres problemas utilizando las propiedades extrañas del mundo cuántico, en particular el entrelazamiento cuántico.

Ahora que se han superado estos obstáculos, las redes cuánticas e incluso una Internet cuántica parecen posibilidades reales.

¿Qué es el enredo cuántico?

Einstein se refirió al enredo cuántico como “acción fantasmal a distancia”, y es uno de los fenómenos más extraños en la mecánica cuántica.

En pocas palabras, cuando se permite que dos partículas interactúen en estrecha proximidad, influyen en las propiedades básicas de cada una, como su giro, polarización, impulso, etc. Cuando estas partículas se separan, un cambio a una partícula da como resultado un cambio correspondiente en la otro al mismo tiempo. No importa la distancia, las partículas están íntimamente conectadas de una manera que debe explicarse completamente.

Por ejemplo, cuando el electrón A interactúa con el electrón B, uno tomará un estado de giro ascendente, mientras que el otro tomará un estado de giro descendente. Cualquier cambio en el giro de uno afecta instantáneamente al giro del otro, independientemente de la distancia. De hecho, los investigadores han demostrado esto entre partículas enredadas separadas por más de 1.200 kilómetros.

¿Cómo funciona la comunicación cuántica?

Usando el principio de enredo, los investigadores han usado fotones enredados para transferir información entre dos nodos, en los que el remitente sostiene la mitad de los fotones enredados y el receptor sostiene la otra mitad. La comunicación es posible por la manipulación de los fotones, lo que resulta en un cambio instantáneo en los fotones correspondientes.

Más específicamente, cada nodo de una red cuántica consiste en procesadores cuánticos, que se basan en bits cuánticos, o qubits, en lugar de bits clásicos. Los Qubits pueden existir en varios estados, conocidos como superposición , lo que les permite realizar múltiples cálculos a la vez, mientras que los bits tradicionales se limitan a solo un 0 o un 1, limitándolos a un cálculo a la vez. Cuando un procesador cuántico cambia los estados de sus fotones, los fotones entrelazados correspondientes se cambian en el otro procesador cuántico, transfiriendo así los qubits necesarios.

Uno de los beneficios de esto es que crea un sistema de comunicación que no se puede modificar, ya que cualquier intento de interceptar o interceptar la información desenredaría las partículas. Esto alteraría el mensaje y haría inmediatamente obvio que se había producido un intento de piratería.

Aunque las aplicaciones actuales aún son limitadas, se ha utilizado con éxito en la distribución de claves cuánticas . También es mucho más rápido que los métodos tradicionales de comunicación porque los fotones enredados pueden transmitir información instantáneamente.

Sin embargo, el enredo es víctima del desacoplamiento y del teorema de no clonación. El desacoplamiento es la tendencia a que las partículas enmarañadas se desenreden debido a la interacción con su entorno, mientras que el teorema de no clonación establece que los estados cuánticos no pueden copiarse.

Esto dificulta la comunicación a larga distancia y, para superar esto, los investigadores han empleado repetidores cuánticos. Uno o más de estos se colocan entre el remitente y el receptor, y su propósito es almacenar fotones enredados con los fotones del remitente, así como fotones que se enredan con los fotones del receptor. Al realizar un intercambio de enredo con una medición de estado de Bell , los fotones del remitente y el receptor pueden enredarse en distancias más largas.

Actualmente, se necesitan varios repetidores cuánticos incluso en las redes cuánticas más básicas , ya que tienen numerosos problemas, aunque los investigadores han desarrollado recientemente métodos ingeniosos para superarlos.

Fotones, bajo demanda

Uno de los problemas con los repetidores cuánticos es que no pueden manejar grandes cantidades de tráfico y, si las redes cuánticas van a reemplazar a las redes tradicionales, esto debe solucionarse. En un artículo publicado en Science Advances el 14 de diciembre, investigadores de Austria, Suecia e Italia demostraron que pueden hacer que los repetidores cuánticos sean más eficientes al crear fotones ya enredados cuando sea necesario.

Lo hicieron con el uso de puntos cuánticos, que son semiconductores que emiten frecuencias específicas de luz cuando son excitados por la electricidad para crear pares de fotones enredados a través de la interferencia cuántica . Con esta técnica, los repetidores cuánticos tendrán un suministro listo de fotones entrelazados para manejar tantos datos como sea necesario.

Almacenamiento en Cesium Atoms

Otro problema importante con los repetidores cuánticos es que no pueden almacenar suficiente información para que sean viables para redes cuánticas a gran escala. Es decir, necesitan almacenar los estados cuánticos frágiles de los fotones enredados, pero los métodos anteriores solo podrían hacerlo en ambientes muy controlados = controlados, lo que dificulta su empleo. Sin embargo, un equipo de investigadores del Instituto Niels Bohr publicó un artículo el mes pasado que explica cómo pueden almacenar fotones enredados de manera mucho más simple.

Usando una jarra de vidrio con vapor de cesio y láseres, los investigadores pueden almacenar y recuperar los fotones enredados a temperatura ambiente de manera relativamente fácil. En el documento, afirmaron que los sistemas a temperatura ambiente son confiables y escalables debido a que no requieren enfriamiento.

Esto también mejora la vida útil de los fotones enredados a un cuarto de milisegundo. Si bien esto no parece mucho, se traduce en que solo se necesita un repetidor cuántico aproximadamente cada 50 km, en lugar de cada 10 km con métodos anteriores.

Un arcoiris de longitudes de onda

Quizás el mayor obstáculo para la comunicación cuántica ha sido el hecho de que se ha limitado a solo dos nodos que se comunican a la vez. Esto se debe a que es extremadamente difícil crear y manipular más de dos partículas enredadas. Si bien algunas investigaciones muestran que es posible, no es práctico para una red cuántica.

Sin embargo, un equipo de investigadores demostró recientemente que es posible usar un fotón para enredarse con varios otros al dividirlo en una variedad de longitudes de onda, ya que un fotón es una onda y una partícula . Cada longitud de onda se enredó con diferentes fotones, permitiendo que un nodo se comunique con varios a la vez.

En un artículo publicado a principios de este mes en Nature , los investigadores describieron su trabajo como “una arquitectura de red cuántica totalmente conectada en la que una única fuente de fotones enredados distribuye estados cuánticos a muchos usuarios y minimiza los recursos necesarios para cada uno”.

Las redes cuánticas y el internet cuántico revolucionarán la comunicación. Una vez que estén completamente desarrollados y adoptados a gran escala, las personas no solo podrán comunicarse a velocidades de magnitud superior a la actual, sino que ya no tendrán que preocuparse por la seguridad.

Hasta hace poco, se pensaba que este escenario estaba en un futuro lejano, pero ahora es posible una comunicación cuántica a gran escala antes de lo que pensábamos.

Crédito de la imagen: Dmitriy Rybin / Shutterstock.com

Fuente: SinglarityHub

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