Un equipo de físicos acaba de lograr un hito en el camino hacia una futura Internet cuántica al vincular tres dispositivos en una misma red. Una Internet cuántica permitiría comunicaciones ultraseguras y todo tipo de aplicaciones científicas, como nuevos sensores de ondas gravitacionales o telescopios con una resolución sin precedentes. Los investigadores han dado a conocer sus resultados en el repositorio de prepublicaciones arXiv.

«Se trata de un gran paso adelante», afirma Rodney Van Meter, ingeniero de redes cuánticas de la Universidad Keio, en Tokio, que no participó en la investigación. La nueva red no tiene aún el rendimiento necesario para poder emplearla en aplicaciones prácticas, advierte el investigador, pero establece una técnica que será clave para que una futura red cuántica pueda conectar nodos a grandes distancias.

Las comunicaciones cuánticas se basan en explotar aquellos fenómenos exclusivos de la mecánica cuántica, como la superposición de estados o el entrelazamiento. Y aunque en el pasado los físicos ya habían demostrado los principios que deberían regir una red cuántica de tres nodos, el trabajo publicado ahora allana el camino hacia aplicaciones concretas.

Nodos entrelazados

En las comunicaciones cuánticas, la información se almacena en qubits —el equivalente cuántico de los bits ordinarios—, los cuales pueden programarse para adoptar una superposición de los estados asociados al 0 y al 1. El objetivo principal de una red cuántica es conseguir que los qubits de un dispositivo se entrelacen con los de otro. Eso presenta numerosas aplicaciones potenciales, comenzando por la encriptación de datos: dado que las mediciones efectuadas sobre objetos entrelazados están siempre fuertemente correlacionadas, este fenómeno físico permite que dos usuarios generen un código que solo ellos conocen.

En el trabajo presentado ahora, el grupo de la Universidad Tecnológica de Delft dirigido por el físico Ronald Hanson logró conectar tres dispositivos de modo que los qubits de dos cualesquiera de ellos estuvieran siempre mutuamente entrelazados. Al mismo tiempo, los qubits de los tres dispositivos estaban también en un estado de entrelazamiento triple, lo que, entre otras aplicaciones, permitiría a los tres usuarios intercambiar información secreta.

Cada uno de los dispositivos diseñados por los investigadores almacena la información cuántica en un cristal sintético de diamante; en concreto, en los estados cuánticos asociados a un defecto del cristal en el que un átomo de nitrógeno sustituye a uno de los de carbono. En tal caso, es posible hacer que el qubit asociado al átomo de nitrógeno emita un fotón, el cual quedará automáticamente entrelazado con el estado del átomo. Dicho fotón se envía después a otro dispositivo por medio de un cable de fibra óptica, lo que a la postre genera un entrelazamiento entre los qubits de dispositivos remotos.

En un trabajo seminal efectuado en 2015, el mismo grupo de la Universidad Tecnológica de Delft logró entrelazar dos dispositivos de diamante y usarlos para poner a prueba varias predicciones fundamentales de la teoría cuántica.

Memoria cuántica

En el nuevo experimento, uno de los tres dispositivos (el situado en el centro de la red) también se configuró para almacenar información en una memoria cuántica: un dispositivo capaz de retener los datos durante más tiempo que los otros qubits y que resultó clave para establecer el entrelazamiento triple.

Dicho qubit de memoria emplea carbono-13, un isótopo no radiactivo que da cuenta del 1 por ciento del carbono natural. Ese isótopo posee un neutrón más que el carbono ordinario, por lo que puede actuar como un imán. Los investigadores usaron un electrón del defecto de nitrógeno a modo de sensor para localizar el núcleo de carbono-13. Al manipular dicho electrón, consiguieron inducir estados cuánticos específicos en el núcleo de carbono, lo que convertía a este en un qubit adicional. Tales memorias cuánticas de carbono pueden mantener sus estados durante más de un minuto: una eternidad para los estándares del mundo subatómico.

La memoria de carbono permitió a los investigadores crear la red de tres dispositivos por etapas. Primero, entrelazaron uno de los nodos con el nitrógeno del nodo central. Después, almacenaron el estado cuántico del átomo de nitrógeno en la memoria de carbono. De esta manera, el qubit de nitrógeno quedaba «liberado» y podía entrelazarse con el qubit del tercer nodo. Como resultado, el nodo central tenía un qubit entrelazado con el primer nodo y, de manera simultánea, otro entrelazado con el tercero (véase la infografía).

La técnica ha requerido años de perfeccionamiento. Una razón es que el qubit de carbono ha de estar lo suficientemente aislado del entorno para que su estado cuántico sobreviva mientras los investigadores llevan a cabo otras operaciones, pero, al mismo tiempo, tiene que seguir estando accesible para poder programarlo. «Queremos almacenar un estado cuántico, por lo que [el qubit] ha de estar blindado. Sin embargo, no puede estarlo demasiado», explicaba Hanson a un periodista durante una visita a su laboratorio en 2018.

Esta y otras dificultades hicieron que el experimento resultara más complejo que en el caso de una red con solo dos nodos, explica Tracy Northup, física de la Universidad de Innsbruck que no participó en el trabajo. «Cuando intentas enlazar tres [nodos] de verdad, todo se vuelve mucho más complicado», afirma la experta.

Por último, el almacenamiento de información en uno de los nodos permitió a los investigadores demostrar la técnica conocida como «transferencia de entrelazamiento» (intercambio de enredo), la cual podría resultar tan esencial para una futura Internet cuántica como los enrutadores para la actual.

El problema de los materiales

El grupo de Delft no es el primero que logra vincular tres dispositivos cuánticos. En 2019, un equipo dirigido por Pan Jianwei, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, lo consiguió usando otro tipo de qubits basados en nubes de átomos, en vez de en átomos individuales localizados en un sustrato sólido. Sin embargo, aquel experimento no permitía generar el entrelazamiento a voluntad, explica Northup. Al detectar fotones, los investigadores «solo podían deducir a posteriori que el entrelazamiento había estado ahí», pero no que se mantendría para su uso posterior.

Van Meter añade que los qubits basados en nubes de átomos son más difíciles de manejar, lo que podría suponer un gran obstáculo para conseguir la transferencia de entrelazamiento. Con todo, puede que no sea imposible: «Jamás diría “nunca” en referencia al grupo de Pan», apostilla.

Mikhail Lukin, físico de Harvard, califica de «heroico» el experimento del grupo de Delft. Pero advierte que su rendimiento es bajo, lo que evidencia que también los defectos de nitrógeno tienen sus limitaciones. Su equipo está investigando en la misma línea pero con diamantes con defectos de silicio, cuya interacción con fotones es más eficiente, afirma el investigador.

Otros grupos han fabricado redes con iones atrapados en un campo electromagnético o con defectos en cristales de tierras raras, los cuales pueden interaccionar con fotones infrarrojos, capaces de viajar kilómetros por fibra óptica sin pérdidas significativas (en general, la fibra óptica no transmite bien los fotones de luz visible, como los emitidos por los defectos de nitrógeno en el diamante).

En su artículo, Hanson y sus colaboradores sostienen que las técnicas presentadas en el trabajo «servirán de guía para que, en el futuro, otras plataformas similares alcancen el mismo nivel de madurez».

Davide Castelvecchi /Noticias de la naturaleza

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «Realización de una red cuántica de múltiples nodos de qubits de estado sólido remotos»; Matteo Pompili et al. en arXiv:2102.04471, 8 de febrero de 2021.



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