El primer teletransporte en red abre el camino al internet cu¨¢ntico

La computaci¨®n cu¨¢ntica avanza con peque?os pasos de gigante. Peque?os porque los logros que se alcanzan suponen rupturas singulares de las limitaciones. Pero gigantescos porque cada zancada abre un mundo de posibilidades infinitas. Es el caso de la investigaci¨®n liderada por Ronald Hanson, f¨ªsico del laboratorio QuTech, de la Universidad de Delft (Holanda), quien ha logrado, seg¨²n publica este mi¨¦rcoles Nature, teletransportar informaci¨®n cu¨¢ntica a trav¨¦s de una red rudimentaria sin conexi¨®n directa entre emisor y receptor. El teletransporte b¨¢sico ya se hab¨ªa conseguido (el equipo de Hanson y otros ya lo han demostrado). Pero solo entre dos puntos, denominados Alice y Bob, o entre nodos adyacentes. Ahora, a esta pareja se une Charlie a distancia. Los tres forman la primera red que, aunque rudimentaria, permite pensar en un internet cu¨¢ntico, con posibilidades infinitas de computaci¨®n y de observar un mundo hasta ahora desconocido.

Roland Hanson detalla la relevancia de esta red primigenia cu¨¢ntica: ¡°Para la comunicaci¨®n cu¨¢ntica, nuestro trabajo muestra c¨®mo se puede usar la teletransportaci¨®n en un entorno de red real, con nodos que no tienen conexi¨®n directa. En la futura internet cu¨¢ntica, dicha teletransportaci¨®n ser¨¢ la principal forma de transferir informaci¨®n cu¨¢ntica a grandes distancias. Nuestra red puede ser vista como una computadora cu¨¢ntica modular (donde los nodos son los m¨®dulos); nuestro trabajo demuestra que los nodos pueden intercambiar informaci¨®n cu¨¢ntica, aunque no est¨¦n en un solo chip¡±.

Para comprender el avance del equipo de Hanson hay que partir de logros previos en los que ellos mismos han participado junto a otros grandes investigadores de esta ciencia. El primero fue la demostraci¨®n de que la teletransportaci¨®n es posible en el mundo cu¨¢ntico. Asher Peres (Francia 1934, Israel 2005) sent¨® las bases en Physical Review Letters en 1993. Entonces, un periodista le pregunt¨®: ¡°En el caso de teletransportar una persona, ?ir¨ªa antes el cuerpo que el alma?¡± El f¨ªsico respondi¨®: ¡°El cuerpo no, solo el alma¡±.

Esta an¨¦cdota es significativa para comprender el teletransporte cu¨¢ntico, donde no se transfiere materia a trav¨¦s de un medio sino la informaci¨®n que confiere sus propiedades. Seg¨²n explica Hanson: ¡°La caracter¨ªstica clave de la teletransportaci¨®n cu¨¢ntica es que la informaci¨®n cu¨¢ntica en s¨ª misma es realmente teletransportada: no viaja a trav¨¦s del espacio o a trav¨¦s de la fibra. El par entrelazado (entangled, en ingl¨¦s) de qubits, que es el recurso para ejecutar la teletransportaci¨®n (el ¡°teletransportador¡±), se prepara mediante el uso de se?al a trav¨¦s de fibra¡±. Otro t¨¦rmino para este fen¨®meno lo acu?¨® Albert Einstein cuando avanz¨® esta posibilidad en 1935 junto a Boris Podolsky y Nathan Rosen, en la conocida como paradoja EPR: ¡°Acci¨®n fantasmag¨®rica a distancia¡±.

De esta forma, cuando una part¨ªcula es previamente entrelazada con otra, ambas dejan de ser part¨ªculas individuales con estados definidos propios y pasan a formar un sistema con una funci¨®n de onda ¨²nica. Y cualquier medici¨®n que se produzca en Alice, se replica de forma instant¨¢nea en Bob. As¨ª lo explica Hanson: ¡°La medici¨®n de uno de ellos, inmediatamente, hace que el otro tambi¨¦n elija un estado; en cierto sentido, la medici¨®n de uno tambi¨¦n mide el otro. Esto es muy diferente de la manipulaci¨®n de los qubits: si rotamos a Alice, no le pasa nada a Bob. Por lo tanto, la acci¨®n fantasmal a distancia [que plante¨® Einstein] solo se refiere a la correlaci¨®n instant¨¢nea en los resultados de la medici¨®n. Si otras cosas, adem¨¢s de la medici¨®n, tambi¨¦n se transfirieran instant¨¢neamente, en realidad ser¨ªa posible enviar mensajes m¨¢s r¨¢pido que la velocidad de la luz¡±.

El teletransporte se ha ensayado desde hace un cuarto de siglo comenzando por fotones para pasar a ¨¢tomos y sistemas m¨¢s complejos. Hace cinco a?os, Jian-Wei Pan, el investigador referente en este campo que trabaja para la Universidad de Ciencia y Tecnolog¨ªa de China, consigui¨® con su equipo el teletransporte de fotones desde la Tierra hasta el sat¨¦lite artificial Micius, en ¨®rbita a 1.400 kil¨®metros de altitud.

El propio Jian-Wei Pan explicaba a este peri¨®dico c¨®mo estos logros, fundamentales para la computaci¨®n cu¨¢ntica, afrontan un ¡°desaf¨ªo formidable¡±: la presencia de ruido e imperfecciones. ¡°Necesitamos usar la correcci¨®n de errores cu¨¢nticos y operaciones tolerantes a fallos para superar el ruido y escalar el sistema¡±, afirma.

Si la presencia de ruido e imperfecciones pueden hacer fracasar la operaci¨®n cu¨¢ntica en un ordenador singular en condiciones de laboratorio, el problema se multiplica en una operaci¨®n en red. Y este ha sido el gran logro del equipo de Hanson: la teletransportaci¨®n cu¨¢ntica y eficaz entre nodos no vecinos en una red.

En este sentido, el investigador holand¨¦s explica: ¡°El ruido y las imperfecciones son un desaf¨ªo para el procesamiento de la informaci¨®n cu¨¢ntica. En una red cu¨¢ntica, el env¨ªo de informaci¨®n a trav¨¦s de nodos podr¨ªa hacerse a trav¨¦s de las fibras intermedias, pero eso har¨ªa que la informaci¨®n cu¨¢ntica estuviera sujeta al ruido y las p¨¦rdidas del canal de fibra. En cambio, la teletransportaci¨®n permite enviar informaci¨®n cu¨¢ntica entre nodos distantes sin sufrir estas fuentes de ruido. La teletransportaci¨®n requiere el entrelazamiento como recurso. Bob ayuda a crear ese entrelazamiento entre Alice y Charlie, que no comparten una conexi¨®n f¨ªsica directa¡±.

El proceso ha seguido una investigaci¨®n previa donde Hanson consigui¨® que funcionara una red entre nodos adyacentes. El desaf¨ªo fue agregar un tercer nodo y crear un estado entre los tres que mostrara correlaciones cu¨¢nticas.

En el nuevo experimento, Alice y Charlie carecen de conexi¨®n directa entre s¨ª, pero ambos est¨¢n conectados a Bob. Los procesadores de Alice y Bob preparan el proceso mediante un estado entrelazado entre sus procesadores y Bob lo almacena mientras crea un estado entrelazado con Charlie. ¡°Despu¨¦s de preparar un estado entrelazado entre Alice y Charlie, se crea el estado a teletransportar y luego se ejecuta¡±, resume Hanson. ¡°Lo que sucede entonces es algo que solo es posible en el mundo cu¨¢ntico: como resultado de la medici¨®n, la informaci¨®n desaparece del lado de Charlie e inmediatamente aparece del lado de Alice¡±, explica la universidad holandesa.

¡°Los principios necesarios¡±

Juan Jos¨¦ Garc¨ªa Ripoll, cient¨ªfico investigador del Instituto de F¨ªsica Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas (CSIC) y cofundador de Inspiration-Q, considera muy relevante el trabajo de Hanson y su equipo: ¡°Se trata de un experimento muy sofisticado que demuestra todos los principios necesarios para la creaci¨®n de redes de comunicaci¨®n cu¨¢ntica¡±.

Para Garc¨ªa Ripoll, que no ha participado en el estudio holand¨¦s, ¡°enviar no solo informaci¨®n cl¨¢sica (bits) sino estados cu¨¢nticos precisa de un mecanismo que permita repartir un estado entrelazado entre dos puntos lejanos y una memoria cu¨¢ntica que permita sostener la informaci¨®n a transmitir mientras se establece ese canal de comunicaci¨®n basado en el entrelazamiento¡±.

En el experimento de Hanson se utilizan NV-centers, ¡°un tipo de impureza del diamante que act¨²a¡±, seg¨²n explica el cient¨ªfico espa?ol, ¡°como un qubit y se puede manipular ¨®pticamente. Este qubit, a trav¨¦s de la emisi¨®n de fotones, permite crear el entrelazamiento a larga distancia¡±. NV-center es un defecto por el que un ¨¢tomo de carbono en la red cristalina del diamante es reemplazado por un ¨¢tomo de nitr¨®geno (N) y un sitio de red adyacente vacante (V).

Un solo NV permite detectar el momento magn¨¦tico y tiene amplias aplicaciones en la tecnolog¨ªa cu¨¢ntica. Seg¨²n Garc¨ªa Ripoll, ¡°el NV-center o centro de color tambi¨¦n puede hablar con los momentos magn¨¦ticos de ¨¢tomos circundantes y en el experimento [de Hanson] utilizan esto para tener una memoria cu¨¢ntica: traspasando la informaci¨®n del NV a un spin nuclear cercano (en un is¨®topo de carbono-13)¡±. ¡°La informaci¨®n a enviar se puede mantener segura durante mucho tiempo, liberando el NV para que realice la tarea de establecer el entrelazamiento con otro nodo de comunicaci¨®n¡±, a?ade.

¡°Aparte de la calidad del experimento, la demostraci¨®n de una configuraci¨®n de comunicaci¨®n cu¨¢ntica sofisticada, con tres nodos y unos algoritmos de comunicaci¨®n tambi¨¦n muy elaborados, sienta las bases para extender la idea a montajes escalables de distribuci¨®n de entrelazamiento y comunicaci¨®n cu¨¢ntica muy prometedores¡±, concluye Garc¨ªa Ripoll.

Prematuro, pero relevante

Para Ad¨¢n Cabello, f¨ªsico de la Universidad de Sevilla cuya primera medici¨®n de una secuencia cu¨¢ntica fue reconocida como uno de los principales avances de la f¨ªsica, es prematuro hablar de internet cu¨¢ntico, aunque s¨ª es relevante el experimento como teletransporte a un nuevo nodo distante.

Cabello intenta simplificar el logro para explicarlo: ¡°Tienes un estado cu¨¢ntico en una ciudad que podr¨ªa ser Sevilla y quieres mandarlo a otra ciudad, Madrid. Necesitas que entre Sevilla y Madrid haya un estado de qubits entrelazado. Eso es un protocolo de teletransporte est¨¢ndar. Lo interesante del experimento es que el entrelazamiento solo lo puedes establecer a una distancia determinada. Vamos a decir que, en el ejemplo de las ciudades, es 500 kil¨®metros. Si quieres enviar qubits de Sevilla a San Sebasti¨¢n, hay que salvar la limitaci¨®n de la distancia. Es lo que ha descrito Hanson: ya no es Sevilla-Madrid, es Sevilla-San Sebasti¨¢n. Han duplicado la distancia¡±.

¡°Es un primer panorama de lo que podr¨ªa ser una red¡±, resume. ¡°Es decir, que ya no es de punto a punto, sino que ya se pueden empezar a implicar m¨¢s nodos. Pero hablar de internet cu¨¢ntico es prometer demasiado. No obstante, teletransportar informaci¨®n cu¨¢ntica es muy ¨²til y va a tener muchas aplicaciones. No hay duda¡±.

En el mismo sentido, los f¨ªsicos Oliver Slattery y Yong-Su Kim destacan el avance conseguido por Hanson y su equipo como un paso importante, ¡°cr¨ªtico¡±, para la creaci¨®n de un internet cu¨¢ntico, seguro y de nueva generaci¨®n. Tambi¨¦n destacan la importancia de las innovaciones desarrolladas para la consecuci¨®n del proceso: la preparaci¨®n, la manipulaci¨®n y la lectura de los estados cu¨¢nticos.

No obstante, ambos f¨ªsicos se?alan: ¡°Se necesitar¨¢n m¨¢s mejoras en m¨²ltiples caracter¨ªsticas del sistema para permitir m¨²ltiples rondas de teletransportaci¨®n y producir redes cu¨¢nticas a gran escala¡±.

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