Los f\u00edsicos han dado un paso importante hacia una futura versi\u00f3n cu\u00e1ntica de Internet al vincular tres dispositivos cu\u00e1nticos en una red. Una Internet cu\u00e1ntica permitir\u00eda comunicaciones ultraseguras y desbloquear\u00eda aplicaciones cient\u00edficas como nuevos tipos de sensores para ondas gravitacionales y telescopios con una resoluci\u00f3n sin precedentes. Los resultados se informaron el 8 de febrero en el repositorio de preprint de arXiv.<\/p>\n\n\n\n
“Es un gran paso adelante”, dice Rodney Van Meter, ingeniero de redes cu\u00e1nticas de la Universidad de Keio en Tokio. Aunque la red a\u00fan no tiene el rendimiento necesario para aplicaciones pr\u00e1cticas, agrega Van Meter, demuestra una t\u00e9cnica clave que permitir\u00e1 que una Internet cu\u00e1ntica conecte nodos a largas distancias.<\/p>\n\n\n\n
Las comunicaciones cu\u00e1nticas explotan fen\u00f3menos que son exclusivos del reino cu\u00e1ntico, como la capacidad de las part\u00edculas o \u00e1tomos elementales de existir en una “superposici\u00f3n” de m\u00faltiples estados simult\u00e1neos, o de compartir un estado “entrelazado” con otras part\u00edculas. Los investigadores hab\u00edan demostrado los principios de una red cu\u00e1ntica de tres nodos antes, pero el \u00faltimo enfoque podr\u00eda conducir m\u00e1s f\u00e1cilmente a aplicaciones pr\u00e1cticas.<\/p>\n\n\n\n
Telara\u00f1a enredada En la \u00faltima demostraci\u00f3n, el f\u00edsico Ronald Hanson de la Universidad Tecnol\u00f3gica de Delft en los Pa\u00edses Bajos y sus colaboradores vincularon tres dispositivos de tal manera que dos dispositivos cualesquiera en la red terminaron con qubits mutuamente entrelazados. Tambi\u00e9n colocan qubits en los tres dispositivos en un estado entrelazado de tres v\u00edas, que, entre otras aplicaciones, puede permitir que tres usuarios compartan informaci\u00f3n secreta.<\/p>\n\n\n\n Cada uno de los dispositivos de Delft almacena informaci\u00f3n cu\u00e1ntica en un cristal de diamante sint\u00e9tico, m\u00e1s precisamente, en los estados cu\u00e1nticos de un defecto en el cristal, donde un \u00e1tomo de nitr\u00f3geno reemplaza a uno de los carbonos.<\/p>\n\n\n\n En un dispositivo de diamante de este tipo, los investigadores pueden presionar el qubit de nitr\u00f3geno para que emita un fot\u00f3n, que se enredar\u00e1 autom\u00e1ticamente en el estado del \u00e1tomo. Luego pueden canalizar el fot\u00f3n en una fibra \u00f3ptica y entregarlo a otro dispositivo, lo que ayuda a establecer un entrelazamiento entre qubits remotos. En un experimento de tour-de-force3 en 2015, el equipo de Delft entrelaz\u00f3 con \u00e9xito dos dispositivos basados \u200b\u200ben diamantes y los us\u00f3 para confirmar algunas predicciones cruciales de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n\n Memoria cu\u00e1ntica La memoria de carbono permiti\u00f3 a los investigadores configurar su red de tres dispositivos en etapas. Primero, enredaron uno de los nodos finales con el nitr\u00f3geno en el nodo central. Luego almacenaron el estado cu\u00e1ntico del nitr\u00f3geno en una memoria de carbono. Esto liber\u00f3 al qubit de nitr\u00f3geno central para que se enredara con el qubit en el tercer nodo. Como resultado, el dispositivo central ten\u00eda un qubit entrelazado con el primer nodo y otro simult\u00e1neamente con el tercero.<\/p>\n\n\n\n La t\u00e9cnica requiri\u00f3 a\u00f1os de refinamiento. El qubit de carbono debe estar lo suficientemente bien aislado de su entorno para que su estado cu\u00e1ntico sobreviva mientras los f\u00edsicos realizan m\u00e1s operaciones, pero a\u00fan as\u00ed ser accesible para que pueda ser programado. \u201cDesea almacenar un estado cu\u00e1ntico, por lo que debe estar protegido. Pero no deber\u00eda protegerse demasiado\u201d, dijo Hanson a un periodista durante una visita a su laboratorio en 2018.<\/p>\n\n\n\n Este y otros desaf\u00edos hicieron que el experimento fuera m\u00e1s dif\u00edcil que una red de dos nodos, dice Tracy Northup, f\u00edsica de la Universidad de Innsbruck en Austria. “Una vez que intentas en serio vincular tres, se vuelve mucho m\u00e1s complicado”.<\/p>\n\n\n\n El almacenamiento de informaci\u00f3n en un nodo permiti\u00f3 al equipo demostrar una t\u00e9cnica llamada intercambio de entrelazamiento, que podr\u00eda resultar tan crucial para una futura Internet cu\u00e1ntica como lo son los enrutadores para la actual.<\/p>\n\n\n\n Preocupaciones materiales Van Meter dice que los qubits de nubes at\u00f3micas son m\u00e1s limitados en lo que pueden hacer, por lo que podr\u00eda ser muy dif\u00edcil para el equipo de Hefei hacer un intercambio de entrelazamientos, aunque tal vez no sea imposible. “Yo nunca dir\u00eda nunca nunca con el grupo Pan”.<\/p>\n\n\n\n Mikhail Lukin, f\u00edsico de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, califica el experimento de Delft como \u201cheroico\u201d, pero agrega que su desempe\u00f1o es lento, lo que demuestra que los defectos de nitr\u00f3geno tambi\u00e9n tienen limitaciones. El equipo de Lukin est\u00e1 trabajando en experimentos similares en diamantes con defectos de silicio, que son mucho m\u00e1s eficientes para interactuar con fotones, dice. Otros equipos han construido redes con iones atrapados en un campo electromagn\u00e9tico, o con defectos en cristales de elementos de tierras raras, que pueden interactuar con fotones infrarrojos que pueden viajar a lo largo de kil\u00f3metros de fibra \u00f3ptica sin p\u00e9rdidas significativas (las fibras \u00f3pticas son deficientes para transportar los fotones de luz visible emitidos por los defectos de nitr\u00f3geno en el diamante).<\/p>\n\n\n\n En su art\u00edculo, Hanson y sus coautores sugieren que sus t\u00e9cnicas “proporcionar\u00e1n una gu\u00eda para plataformas similares que alcancen el mismo nivel de madurez en el futuro”.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>En el coraz\u00f3n de las comunicaciones cu\u00e1nticas se encuentra la informaci\u00f3n almacenada en qubits, el equivalente cu\u00e1ntico de los bits en las computadoras ordinarias, que puede programarse para estar en una superposici\u00f3n de un “0” y un “1”. El prop\u00f3sito principal de una red cu\u00e1ntica es permitir que los qubits en el dispositivo de un usuario se entrelacen con los de otra persona. Ese entrelazamiento tiene muchos usos potenciales, comenzando por el cifrado: debido a que las mediciones de los objetos entrelazados siempre est\u00e1n correlacionadas, al leer repetidamente los estados de sus qubits, los usuarios pueden generar un c\u00f3digo secreto que solo ellos conocen.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Uno de los tres dispositivos en el \u00faltimo experimento del equipo, el que est\u00e1 en el medio de la red, tambi\u00e9n se configur\u00f3 para almacenar informaci\u00f3n en una ‘memoria cu\u00e1ntica’, que puede contener datos durante m\u00e1s tiempo que los otros qubits y fue clave para la configuraci\u00f3n el enredo de tres v\u00edas. El qubit de memoria utiliz\u00f3 carbono-13, un is\u00f3topo no radiactivo que constituye alrededor del 1% del carbono natural. El carbono 13 tiene un neutr\u00f3n extra en su n\u00facleo, por lo que act\u00faa como una barra magn\u00e9tica. Los investigadores utilizaron un electr\u00f3n activo en el defecto de nitr\u00f3geno como sensor para localizar un n\u00facleo de carbono 13 cercano. Al manipular el electr\u00f3n, pudieron empujar el n\u00facleo de carbono a estados cu\u00e1nticos espec\u00edficos, convirti\u00e9ndolo en un qubit adicional. Tales memorias cu\u00e1nticas de carbono pueden mantener sus estados cu\u00e1nticos durante 1 minuto o m\u00e1s, lo que en el mundo subat\u00f3mico es una eternidad.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>El equipo de Delft no es el primero en vincular con \u00e9xito tres memorias cu\u00e1nticas: en 2019, un equipo dirigido por el f\u00edsico Pan Jianwei de la Universidad de Ciencia y Tecnolog\u00eda de China en Hefei lo hizo utilizando un tipo diferente de qubit, basado en nubes de \u00e1tomos. en lugar de \u00e1tomos individuales en un objeto s\u00f3lido. Pero ese experimento a\u00fan no pod\u00eda producir entrelazamientos bajo demanda, dice Northup. Al detectar fotones, el equipo de Hefei solo pudo “extraer retroactivamente el hecho de que el entrelazamiento estaba all\u00ed”, no que todav\u00eda est\u00e9 disponible para su uso posterior.<\/p>\n\n\n\n