Los autores consideran que el intercambio de información entre nodos no conectados, representa un paso importante hacia la construcción de una red cuántica que se comunique mediante la teleportación cuántica.
La Revista Nature publicó una investigación del Instituto QuTech de Países Bajos, estudio en el que por primera vez se ha conseguido transferir bits cuánticos en una red desde un nodo a otro sin que tengan conexión directa, y en el que se utiliza un tercero para facilitar su entrelazamiento. Según Ronald Hanson y su equipo de investigadores, este avance supone un paso importante hacia la futura internet cuántica.
En qué consiste la teletransportación cuántica y la internet cuántica
La teleportación cuántica permite transferir información cuántica (cúbits o bits cuánticos) de un lugar a otro, por lo que tiene aplicaciones potenciales muy importantes en las comunicaciones seguras, la computación cuántica y el desarrollo de la próxima generación de internet.
Las demostraciones de este efecto, detrás del que está el extraño entrelazamiento cuántico (que ‘conecta’ de forma cuántica dos partículas alejadas), hasta ahora solo se habían realizado entre dos nodos adyacentes en una red, pero investigadores del instituto neerlandés QuTech lo han conseguido entre dos que no lo están: “Nuestro trabajo demuestra por primera vez la teleportación de información cuántica en una red, entre nodos que no están conectados directamente”, asegura Ronald Hanson (QuTech).
Cómo se consolidó el estudio
Los investigadores del Instituto QuTech, estructuraron una red rudimentaria que enlazaron con tres nodos: Alice, Bob y Charlie, conectados en línea por fibras ópticas y una conexión directa entre los que son ‘vecinos’: Alice y Bob por una parte, y Bob y Charlie por otra. Pero en este sistema Alice y Charlie no son vecinos.
“Vecinos en una red cuántica significa que tienen una conexión de fibra directa, y que pueden crear entrelazamiento directamente, es decir, sin necesidad de otro nodo. En este caso, el que sean o no vecinos no tiene que ver con la distancia, sino con la conectividad, cómo está organizada la red”, explica, Ronald Hanson, y agrega que: “Nuestro trabajo demuestra por primera vez la teleportación de información cuántica en una red, entre nodos que no están conectados directamente”.
La revolución de teleportar información parece ciencia ficción pero es real
Para entender el experimento conviene recordar que el envío de cúbits entre los procesadores que conforman estas redes cuánticas no es nada fácil. Una posibilidad es mandar bits cuánticos mediante partículas de luz, pero, debido a las inevitables pérdidas en los cables de fibra de vidrio, sobre todo en las largas distancias, es muy probable que no lleguen a su destino. La pérdida de una partícula de luz significa que la información cuántica se pierde irremediablemente.
Sin embargo, la teleportación ofrece una forma mejor de enviar información cuántica. Su protocolo de actuación recuerda al teletransporte de las películas de ciencia ficción: el cúbit desaparece en el lado del emisor y aparece en el lado del receptor. Como no atraviesa el espacio intermedio, no se puede perder, algo crucial en la internet cuántica del futuro.
Es necesario comprender que para poder teletransportar o teleportar los cúbits se necesitan varios ingredientes: un enlace cuántico entrelazado entre el emisor y el receptor, un método fiable para leer los procesadores cuánticos y la capacidad de almacenar estos bits cuánticos temporalmente.
Investigaciones anteriores
Un antecedente de la investigación en QuTech, fue una colaboración entre la Universidad Tecnológica de Delft y la Organización Holandesa para la Investigación Científica Aplicada (TNO), en donde se había demostrado que es posible transferir cúbits entre dos nodos vecinos. En concreto, han teleportado bits cuánticos de Charlie a Alice, con la ayuda de Bob, el nodo intermedio. Los tres operan mediante una especie de impureza de diamante llamada centro nitrógeno-vacante (NV center). La revolución con este estudio nuevo, es lograrlo por primera vez entre dos que no lo son, es decir, a través de una red, de momento rudimentaria.
El investigador líder, Ronald Hanson, asegura que: “La característica clave de la teleportación es que permite la transferencia fiable de información cuántica (cúbits) entre nodos, una rutina clave que en una futura internet cuántica ocurrirá todo el tiempo. Como con la teleportación la información cuántica no viaja por el espacio, tampoco se ve perturbada por éste. Esto es muy importante porque la información cuántica no puede copiarse, por lo que si se pierde en la transmisión se pierde para siempre”.
Tres pasos clave de la teleportación cuántica
En primer lugar, se prepara el ‘teleportador’, es decir, hay que crear un estado entrelazado entre Alice y Charlie. Los cuales no tienen una conexión física establecida, pero ambos están conectados directamente con Bob. Alice y Bob crean un estado de conexión entre sus procesadores, Bob almacena su parte del estado entrelazado y luego se conecta también con Charlie. Acto seguido. Se realiza un análisis de mecánica cuántica: mediante una medición especial en su procesador, Bob ‘envía’ el entrelazamiento, de tal forma que Alice y Charlie quedan entrelazados y el teleportador listo para operar.
El segundo paso consiste en la producción del ‘mensaje’, el cúbit, que se va a teletransportar. Por ejemplo: un 1, un 0 o varios valores intermedios. Charlie prepara esta información cuántica. Para demostrar que la teleportación funciona de forma genérica, los investigadores repitieron todo el experimento para diversos valores de bits cuánticos.
El último paso es la teleportación real de Charlie a Alice. El primero realiza una medición conjunta con el mensaje en su procesador cuántico y en su mitad del estado entrelazado (Alice tiene la otra mitad). Como resultado de esta medición, la información desaparece en el lado de Charlie y aparece inmediatamente en el lado de Alice. El cúbit se ha encriptado al ser transferido.
La clave está determinada por el resultado de la medición de Charlie, que lo manda a Alice, quien efectúa la operación cuántica correspondiente y descifra el bit cuántico. Esto se puede realizar, por ejemplo, mediante un ‘volteo’ de bits": el 0 se convierte en 1 y el 1 en 0. Después de que Alice haya efectuado la operación correcta, la información cuántica ya es apta para su uso posterior. El teletransporte ha tenido éxito.
Futuras mejoras en la red
Las investigaciones futuras del equipo buscan invertir los pasos uno y dos del protocolo para optimizarlo y ampliar sus posibilidades. Los autores consideran que el intercambio de información entre nodos no conectados que han demostrado ya, representa un paso importante hacia la construcción de una red cuántica que se comunique mediante la teleportación cuántica.
Por otro lado, Carlos Sabín, investigador en el Instituto de Física Fundamental del CSIC, también ha valorado este estudio para SMC España, y concluye que: “Podría interpretarse como un primer paso (muy preliminar) hacia una red cuántica de comunicaciones. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la gran dificultad experimental hace que la calidad de la transmisión de información sea todavía muy baja. Esto se puede medir calculando la llamada ‘fidelidad’ del estado transmitido, es decir, el parecido entre el estado final real del cúbit y el estado que queríamos transmitir”.
Mira este video, para comprenderlo mejor:
