Internet está hecha de fotones que viajan a través de cables de fibra óptica y fluyen a través de dispositivos como conmutadores, moduladores y amplificadores. Sin embargo, los dispositivos estándar serían inadecuados para la computación o la comunicación cuántica superrápida—los enfoques experimentales explotan las propiedades especiales de las partículas a escala cuántica para llevar a cabo cálculos complejos muy rápidamente o para evitar que alguien escuche sus comunicaciones.

Los conmutadores comerciales tienen varios problemas que los hacen no aptos para modificar la ruta de los fotones entrelazados. Los que están hechos de componentes microelectromecánicos mantienen los estados entrelazados intactos, pero operan muy lentamente. Otros conmutadores optoelectrónicos o bien agregan demasiado ruido, de forma que los fotones individuales se vuelven difíciles de detectar, o destruyen completamente la información cuántica.

Prem Kumar, profesor de ingeniería eléctrica e ingeniería informática de la Universidad Northwestern, ha desarrollado un conmutador de enrutamiento cuántico que puede enviar fotones entrelazados por varios caminos manteniendo intacta la información cuántica.

El dispositivo podría ser particularmente útil para la computación cuántica, señala James Franson, profesor de física de la Universidad de Maryland, en el condado de Baltimore. "Para desarrollar un ordenador cuántico con fotones, necesitamos la capacidad de conmutar fotones [entrelazados]", continua Franson. Un conmutador cuántico podría permitir que, en un futuro, los fotones entrelazados puedan compartirse entre varios ordenadores cuánticos a largas distancias—de una forma parecida a la computación en la nube, pero con información cuántica.

Kumar destaca que el nuevo conmutador también convertirá las redes cuánticas ultraseguras en una realidad. Actualmente, la información generalmente está siendo protegida mediante el llamado cifrado de clave pública, que se basa en la imposibilidad práctica de llevar a cabo ciertas tareas matemáticas, como factorizar números muy grandes. Las redes cuánticas ofrecerían una alternativa más segura para el cifrado de clave pública. El uso de fotones entrelazados para comunicarse garantiza la seguridad porque cualquier intento de interceptar un mensaje perturbaría el estado cuántico de las partículas.

Para construir el nuevo conmutador cuántico, los investigadores utilizaron cables comerciales de fibra óptica y otros componentes ópticos estándar, señala Kumar. "Mi meta es hacer cosas en el espacio de la información cuántica, que sean muy compatibles con las infraestructuras de fibra existentes", comenta Kumar.

El primer paso es preparar los fotones. Los fotones entrelazados tienen propiedades, tales como la polarización, que están fundamentalmente relacionadas. Si dos fotones están entrelazados, entonces la determinación de la polarización de uno revela el estado correspondiente del otro. Los investigadores utilizaron una técnica que consiste en mezclar las múltiples longitudes de onda de la luz en una fibra estándar para crear pares de fotones entrelazados.

El siguiente paso es enviar un fotón por la fibra óptica hasta el conmutador, que cambiará el curso del fotón. El conmutador de los investigadores está constituido exclusivamente por componentes ópticos, incluyendo una bobina de 100 metros de fibra óptica dispuestos en un bucle. Un fotón de un par entrelazado es enviado por uno de los extremos del bucle y a través de un multiplexor, al mismo tiempo que un potente láser envía pulsos de luz al carrete. El fotón se desplaza de tal manera que en el otro extremo del bucle se separa siguiendo un camino independiente, sin dejar de estar entrelazado con su pareja.

El resultado final es un conmutador muy rápido que tiene un bajo ruido de fondo y, lo más importante, conserva la información cuántica. Unos detectores de fotón único en el extremo de las fibras confirman que los dos fotones mantuvieron su estado entrelazado, demostrando que la información cuántica fue conservada. El trabajo se describe en un número reciente de la revista Physical Review Letters.

"Es un avance importante, porque la conmutación de fotones es realmente la principal cuestión a resolver para continuar con los nuevos avances en computación cuántica con fotones", afirma Franson.