Teleporting: Hacia una Internet cuántica

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Esta imagen muestra cristales utilizados para el almacenamiento de fotones entrelazados, que se comportan como si fueran parte de un mismo todo. Los científicos usan cristales como estos en los experimentos de teleportación cuántica. Créditos: Félix Bussières / Universidad de Ginebra

La física cuántica es un campo que parece dar a los científicos superpotencias. Los que entienden el mundo de las partículas extremadamente pequeñas o frías pueden realizar hazañas increíbles con ellas – incluyendo teletransporte – que aparecen al doblar la realidad.

La ciencia detrás de estas hazañas se complica, y hasta hace poco, no existía fuera de los entornos de laboratorio. Pero eso está cambiando: los investigadores han comenzado a poner en práctica el teletransporte cuántico en contextos del mundo real. Ser capaz de hacer lo que sólo podría revolucionar las comunicaciones telefónicas y de Internet modernas, lo que lleva a la mensajería altamente segura y cifrada.

Un artículo publicado en la revista Nature Photonics y co-escrito por los ingenieros del Jet Propulsion Laboratory de la NASA, en Pasadena, California, detalla los primeros experimentos con el teletransporte cuántico en una red de cable de fibra metropolitana. Por primera vez, el fenómeno ha sido testigo por amplias áreas de la infraestructura actual de la ciudad. En Canadá, los investigadores de la Universidad de Calgary teletransportó el estado cuántico de un fotón más de 3,7 millas (6 kilómetros) en los cables “oscuros” (no utilizadps) en virtud de la ciudad de Calgary. Eso es un nuevo récord para la distancia más larga de teletransporte cuántico en una red metropolitana real.

Mientras que las distancias más largas se han registrado en el pasado, los estudios se realizaron en laboratorio, donde los fotones fueron disparados a través de carretes de cable para simular la pérdida de señal causada por las largas distancias. Esta última serie de experimentos en Calgary se ha probado teletransporte cuántico en la infraestructura actual, lo que representa un importante paso adelante para la tecnología.

“La demostración de los efectos cuánticos, tales como el teletransporte fuera de un entorno de laboratorio implica un nuevo conjunto de desafíos. Este experimento muestra cómo pueden todos ser superados estos retos y, por tanto, que marca un hito importante para el futuro de Internet cuántica “, dijo Francesco Marsili, uno de los co-autores del JPL. “La comunicación cuántica desbloquea algunas de las propiedades únicas de la mecánica cuántica para, por ejemplo, el intercambio de información con el máximo de seguridad o enlazar juntos los ordenadores cuánticos.”

Los sensores de fotones para el experimento fueron desarrollados por Marsili y Matt Shaw, del Laboratorio Microdispositivos del JPL, junto con sus colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Boulder, Colorado. Su experiencia fue fundamental para los experimentos: una red cuántica se realiza con fotones, y requiere algunos de los sensores más sensibles en el mundo con el fin de saber exactamente lo que le está sucediendo a la partícula.

“La plataforma detector superconductor, que ha sido iniciado por investigadores del JPL y NIST, hace posible la detección de fotones individuales en longitudes de onda de telecomunicaciones con una eficiencia casi perfecta y casi sin ruido. Esto simplemente no era posible con tipos de detectores anteriores, y así los experimentos como el nuestro, se emplea fibra infraestructura existente, habría sido casi imposible sin detectores de JPL, “dijo Daniel Oblak de la universidad del instituto de Calgary para Quantum Ciencia y Tecnología.

Correos electrónicos más seguros utilizando la física cuántica

Encoger hasta el nivel de un fotón, y la física comienza a jugar con las reglas extrañas. Los científicos que entienden esas reglas pueden “enredar” dos partículas de manera que sus propiedades estén vinculadas. El entrelazamiento es un concepto alucinante en el que las partículas con características diferentes, o estados, pueden ser unidas entre sí a través del espacio. Eso significa que todo lo que afecta el estado de una partícula afecta a la otra, incluso si están ubicadas millas uno de otro.

Aquí es donde entra en teletransporte. Imagine que tiene dos partículas entrelazadas -. Llamémosles Fotón 1 y Fotón 2 –  y el Fotón 2 se envía a un lugar distante. Allí, se encuentra con Fotón 3, y los dos interactúan entre sí. El Estado de Fotón 3 puede ser transferido a Fotón 2, y automáticamente “transportado” al doble enredado, Fotón 1. Esta transferencia sin cuerpo ocurre a pesar del hecho de que los fotones 1 y 3 no interactúan.

Esta propiedad se puede utilizar para el intercambio seguro de mensajes secretos. Si dos personas comparten un par de fotones entrelazados, la información cuántica se puede transmitir de una manera sin cuerpo, dejando un espía sin nada para interceptar y por lo tanto no puede leer el mensaje secreto.

Se refiere a la teletransportación a Distancia

Este sistema de comunicaciones de alta seguridad está siendo probado en varios campos, dijo Marsili, incluidas las industrias financieras y agencias como la NASA que quieren proteger a sus señales de datos espacial. Los superconductores detectores de fotones individuales desarrolladas por Marsili, Shaw y sus colegas del NIST son una herramienta clave para hacer esto, ya que el envío de los fotones a través de largas distancias conducirá inevitablemente a la “pérdida” de la señal. Incluso cuando se utiliza un láser en el espacio, la luz se difunde a través de la distancia, lo que debilita el poder de la señal que está siendo transmitida.

El siguiente paso es la construcción de repetidores que pueden teletransportarse aún más el estado de un fotón de un lugar a otro. Al igual que los repetidores se utilizan para transportar otras señales de telecomunicaciones a través de largas distancias, que podría ser utilizado para teletransportar fotones entrelazados. detectores de fotones de alta sensibilidad permitirían repetidores para enviar fotones entrelazados en todo el país. Para las comunicaciones relacionadas con el espacio, los repetidores ni siquiera serían necesarios; los fotones podrían eventualmente ser despedidos al espacio usando láseres, y los estados de fotones podrían ser teletransportados desde la Tierra.

No hay repetidores que se utilizaron en los experimentos de Calgary, que estaban destinados principalmente para establecer cómo el teletransporte cuántico puede realizarse fuera del laboratorio. Los investigadores utilizaron la fibra oscura de la ciudad – un único cable óptico sin la electrónica o red de equipos que fluye a través de ellos.

“Mediante el uso de detectores superconductores avanzados, podemos usar fotones individuales para comunicarse eficazmente tanto la información clásica y cuántica desde el espacio a la tierra”, dijo Shaw. “Estamos planeando utilizar versiones más avanzadas de estos detectores para demostraciones de comunicaciones ópticas desde el espacio profundo y de teletransporte cuántico desde la Estación Espacial Internacional.”

El estudio fue financiado por Alberta Innovates Technology Futures; el Consejo Nacional de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Canadá; y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de la Defensa. Parte de la investigación del detector se llevó a cabo en el JPL en virtud de un contrato con la NASA.Caltech en Pasadena dirige JPL para la NASA.

Para obtener más información acerca de la investigación del JPL sobre el teletransporte cuántico, visite:

http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4384

NASA

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