Los físicos han estado aprovechado desde hace algún tiempo la naturaleza cuántica de los fotones para transmitir información. Y al hacerlo han descubierto lo potente que puede ser la comunicación cuántica en comparación con la clásica.
En lugar de enviar 0 y 1 de código digital, los comunicadores cuánticos pueden enviar información en una superposición de estados que representan tanto 0 y 1 a la vez. Es más, pueden combinarse objetos cuánticos distintos, como por ejemplo un par de fotones, lo que significa que comparten la misma existencia incluso estando ampliamente separados. Eso conduce a una forma de información cuántica sin contrapartida clásica.
La información cuántica sustenta una serie de tecnologías emergentes que, para muchos físicos, tendrán un gran impacto en la sociedad del futuro: potentes ordenadores cuánticos, criptografía cuántica (casi) perfecta y un Internet cuántico para distribuir estas capacidades alrededor del planeta.
Sin embargo, existe un problema con esta visión cuántica del futuro. Por el momento, los físicos solo pueden enviar fotones que lleven información cuántica a lo largo de una sola fibra óptica.
Guiar los fotones por otra fibra es un proceso llamado enrutamiento, que utiliza una señal de control para determinar el destino y la vía de una señal de datos. Un router clásico simplemente lee los datos de la señal de control y dirige la señal de datos en consecuencia.
Pero en el mundo cuántico, la lectura de una señal de control también la destruye. Por lo tanto, solo ha sido posible enrutar señales cuánticas de datos usando señales clásicas de control. Y a pesar de que resulta práctico, no permite que el proceso de enrutamiento saque todo el potencial de la información cuántica.
El pasado viernes día 3, Xiuying Chang y algunos compañeros de la Universidad de Tsinghau en China anunciaron haber construido y probado el primer router cuántico capaz de utilizar una señal de control cuántica para determinar la ruta de una señal de datos cuántica. "Es... la primera demostración de prueba de principio de un verdadero router cuántico", aseguran.
En este nuevo dispositivo, la información está codificada en la polarización de los fotones, ya sea de forma horizontal o vertical. El grupo chino comienza creando un solo fotón en una superposición de estados de polarización horizontal y vertical.
A continuación, convierten ese fotón en un par de fotones de menor energía que se enredan, un proceso llamado conversión paramétrica a la baja. Ambos fotones están también en una superposición de estados de polarización.
El router funciona mediante el uso de la polarización de uno de estos fotones como señal de control para determinar la ruta de la otra, la señal de datos. El dispositivo es simple, poco más que una colección de medio espejos para orientar fotones y placas de onda para la rotación de la polarización.
En primer lugar se sigue la ruta del fotón de datos, que está determinada por un conjunto de medio espejos que la envían de una forma u otra, dependiendo de su polarización. El truco está en configurar el router para que la polarización del fotón de control influya esta ruta.
El grupo chino lo consigue mediante la rotación de la polarización de los fotones de control utilizando placas de medio y un cuarto de onda, a medida que el fotón de datos llega a los medio espejos. El fenómeno cuántico del entrelazamiento asegura entonces que el fotón de datos sea dirigido en consecuencia. En efecto, el router funciona como una puerta lógica.
Por supuesto, el éxito del enrutamiento es una probabilidad como todos los otros fenómenos cuánticos. Chang y compañía han terminado su experimento verificando aquellas características que resultan parecidas a las de una puerta lógica del router, y garantizando que ambos fotones siguen enredados aún después de pasar por ella.
Este es un paso interesante hacia adelante, aunque el nuevo router tiene limitaciones significativas. La más importante es que puede manejar solamente un bit cuántico (o qubit) a la vez. Y puesto que el proceso de la conversión paramétrica a la baja no puede manejar más qubits, no se puede ampliar a un mayor número de qubits.
Ese es un inconveniente importante. Significa que se trata de un dispositivo de prueba de principio pero que no supondrá la base de un futuro Internet cuántico.
En cierto sentido, es un poco como los primeros ordenadores cuánticos basados en resonancia magnética nuclear para manipular los espines de las moléculas en una tina de acetona. Realizaban cálculos triviales con un puñado de qubits, pero no podía ampliarse la escala para hacer algo interesante.
Eso no quiere decir que nunca lleguemos a tener routers cuánticos escalables. Varios grupos están trabajando en diferentes enfoques que tienen el potencial de poder ser ampliados. El progreso es constante, pero lento.
El Internet cuántico está en camino. El problema es que nadie sabe cuándo llegará.
Ref: arxiv.org/abs/1207.7265: Experimental Demonstration Of An Entanglement-Based Quantum Router