El experimento más raro hecho en Canarias: teletransportación

Si algo tiene las islas Canarias es ser plataforma de ensayo tecnológico. Las autoridades de las islas quieren impulsar ese camino como complemento al turismo. Las islas han sido testigos de grandes avances de la ciencia pero hay uno que se mantiene en un círculo reducido de expertos: romper la distancia cuántica de teletransportación. El control de esta tecnología es clave para ganar la carrera armamentista informática. Este mes de mayo siguiendo la estela de Canarias expertos de China utilizaron un satélite cuántico de China para verificar la transferencia de tiempo segura cuántica por primera vez, lo que sentó las bases para construir un sistema de navegación por satélite seguro. El estudio fue publicado en Nature Physics.

Los físicos de la Universidad de Viena y la Academia de Ciencias de Austria han logrado la teletransportación cuántica en una distancia récord de 143 kilómetros. El experimento fue un paso importante hacia la comunicación cuántica basada en satélites. Una de las prioridades en las que está operando China. Un equipo internacional dirigido por el físico austríaco Anton Zeilinger transmitió con éxito estados cuánticos entre La Palma y Tenerife, a una distancia de 143 kilómetros. Y es que sin un criterio de tiempo unificado, el ciberespacio, las áreas financieras y los sectores de energía, incluidas las energías eléctricas pueden colapsarse ante ataques amenazantes. A pesar de las tecnologías actuales disponibles para la transferencia de tiempo, la manipulación de datos y los engaños de señal aún pueden poner en peligro los sistemas de navegación.

Este experimento ha proporcionado la base para una red de información mundial, en la cual los efectos de la mecánica cuántica permiten el intercambio de mensajes con mayor seguridad y permiten que ciertos cálculos se realicen de manera más eficiente que con las tecnologías convencionales. La teletransportación cuántica será un protocolo clave para la transmisión de información entre computadoras cuánticas.

En un experimento de teletransportación cuántica, los estados cuánticos, pero no la materia, se intercambian entre dos partes a distancias que pueden ser, en principio, arbitrariamente largas. El proceso funciona incluso si no se conoce la ubicación del destinatario. Tal intercambio puede usarse para la transmisión de mensajes o como una operación en futuras computadoras cuánticas. En estas aplicaciones, los fotones que codifican los estados cuánticos deben transportarse de manera confiable a largas distancias sin comprometer el frágil estado cuántico.

El experimento de los físicos austriacos, en el que ahora han establecido una conexión cuántica adecuada para la teletransportación cuántica a distancias de más de 100 kilómetros abrió en Canarias nuevos horizontes. La infraestructura en las islas permite enlaces láser de larga distancia de más de 143 kilómetros.

Este gran desafío tecnológico se ejecutó cuando los fotones tuvieron que ser enviados directamente a través de la atmósfera turbulenta entre las dos islas. El uso de fibras ópticas no es adecuado para experimentos de teletransportación a distancias tan grandes, ya que la pérdida de señal sería demasiado alta. Para alcanzar su objetivo, los científicos tuvieron que implementar una serie de innovaciones técnicas. El apoyo provino de un grupo teórico en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching (Alemania) y un grupo experimental en la Universidad de Waterloo (Canadá).

El avance realizado en Canarias es lo que ha permitido estudiar la teletransportación cuántica basada en satélites, que debería permitir la comunicación cuántica a escala global. Los satélites en 'órbita terrestre baja' vuelan entre 200 y 1.200 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. La Estación Espacial Internacional, por ejemplo, órbita a una altitud de aproximadamente 400 kilómetros. En experimentos basados en satélites, las distancias a recorrer son más largas, pero la señal tendrá que pasar por menos atmósfera. Con el experimento de Canarias se ha creado una base sólida para tales experimentos

Se sabe desde la década de 1990 que la teletransportación cuántica multidimensional es teóricamente posible. Sin embargo: "Primero, tuvimos que diseñar un método experimental para implementar la teletransportación de alta dimensión, así como para desarrollar la tecnología necesaria", dice Manuel Erhard, del Instituto de Viena de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria.

El estado cuántico a teletransportarse se codifica en los posibles caminos que puede tomar un fotón. Uno puede imaginar estos caminos como tres fibras ópticas. Lo más interesante es que, en física cuántica, un solo fotón también puede ubicarse en las tres fibras ópticas al mismo tiempo. Para teletransportar este estado cuántico tridimensional, los investigadores utilizaron un nuevo método experimental. El núcleo de la teletransportación cuántica es la llamada medición de Bell. Se basa en un divisor de haz multipuerto, que dirige los fotones a través de varias entradas y salidas y conecta todas las fibras ópticas. Además, los científicos utilizaron fotones auxiliares, que también se envían al divisor de haces múltiples y pueden interferir con los otros fotones.

Mediante la selección inteligente de ciertos patrones de interferencia, la información cuántica se puede transferir a otro fotón lejos del fotón de entrada, sin que los dos interactúen físicamente. El concepto experimental no se limita a tres dimensiones, sino que, en principio, puede extenderse a cualquier cantidad de dimensiones, como subraya Erhard.

Mayores capacidades de información para computadoras cuánticas

Con esto, el equipo de investigación internacional también ha dado un paso importante hacia aplicaciones prácticas como un futuro internet cuántico, ya que los sistemas cuánticos de alta dimensión pueden transportar mayores cantidades de información que los qubits. "Este resultado podría ayudar a conectar las computadoras cuánticas con capacidades de información más allá de los qubits", dice Anton Zeilinger, físico cuántico de la Academia de Ciencias de Austria y la Universidad de Viena, sobre el potencial innovador del nuevo método.

Los investigadores chinos participantes también ven grandes oportunidades en la teletransportación cuántica multidimensional. "Lo básico para los sistemas de red cuántica de próxima generación se basa en nuestra investigación fundamental de hoy", dice Jian-Wei Pan, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. Pan realizó recientemente una conferencia en Viena por invitación de la Universidad de Viena y la Academia.

En el trabajo futuro, los físicos cuánticos se centrarán en cómo extender el conocimiento recién adquirido para permitir la teletransportación de todo el estado cuántico de un solo fotón o átomo.