Aunque la comunicación cuántica es a prueba de golpes, hasta ahora no es particularmente eficiente. Los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica quieren cambiar esto. Han desarrollado un método de detección que se puede utilizar para rastrear transmisiones cuánticas. La información cuántica se envía a largas distancias en forma de fotones (es decir, partículas de luz). Sin embargo, estos se pierden rápidamente. Descubriendo después de solo una distancia parcial si dicho fotón todavía está en camino a su destino o ya se ha perdido, puede reducir significativamente el esfuerzo requerido para el procesamiento de la información. Esto haría que aplicaciones como el cifrado de transferencias de dinero fueran mucho más prácticas.

La criptografía cuántica pronto podría convertirse en el método de elección para proteger el tráfico de datos de agencias gubernamentales o bancos. Sin embargo, en el futuro previsible, probablemente no protegerá nuestro tráfico de correo electrónico de lectores no invitados. El intercambio de qubits, la unidad más pequeña de información cuántica, es simplemente demasiado complejo. Uno de los mayores problemas:partículas de luz que transportan qubits a largas distancias y se desvían fácilmente de su trayectoria en el aire o se absorben en fibras de vidrio y, de repente, la información cuántica se pierde. Debido a que la mayoría de los fotones se pierden en una transmisión de alrededor de 100 km, tendrían que transmitirse miles de fotones para transmitir directamente un solo qubit a esta distancia. La transmisión de información cuántica puede convertirse así en un asunto prolongado, a pesar de que la luz viaja muy rápido y puede cubrir la distancia de Múnich a Berlín (alrededor de 600 km) en solo dos milisegundos.

El detector no lee la información cuántica.

Un equipo alrededor de Dominik Niemietz y Gerhard Rempe en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica ahora ha desarrollado un protocolo físico que puede indicar si el qubit ya se ha perdido en las estaciones intermedias de la transmisión cuántica. "Si este es el caso, el transmisor puede enviar el qubit nuevamente con una demora significativamente menor que si la pérdida se nota solo en el extremo receptor, "dice Dominik Niemietz, quien desarrolló el detector de qubits fotónicos (como se le llama en la jerga técnica) como parte de su disertación. "Es esencial que no destruyamos el qubit. Por lo tanto, solo detectamos el fotón del qubit y no lo medimos". En otras palabras:el detector detecta si el fotón está allí o no, pero no lee la información cuántica codificada en él. Es algo así como rastrear un envío en línea sin poder ver el interior del paquete. "Esto es crucial porque las leyes de la física cuántica descartan copiar un qubit 1 a 1; en esto se basa la criptografía cuántica". Por lo tanto, la publicación cuántica no puede actualizarse en una estación intermedia, ni por quienes instalaron el transmisor y el receptor, ni por espías.

Dos resonadores y un átomo permiten la detección del qubit

Para detectar un fotón que transporta información cuántica sin leer el mensaje en sí, los físicos trabajan con un átomo que atrapan en dos resonadores perpendiculares. Cada uno de los dos resonadores consta de dos espejos, de modo que el átomo está rodeado por cuatro espejos dispuestos en cruz. Uno de los resonadores está diseñado de tal manera que el átomo reconoce la presencia del fotón con un toque extremadamente suave:el resonador está ubicado en el extremo de una fibra óptica a través de la cual un fotón lo alcanza, o no. Cuando el fotón llega allí, se refleja y cambia el estado del átomo. Lo importante aquí es que la información cuántica no se ve afectada por esto, de la misma manera que los repartidores de paquetes dejan mensajes si los destinatarios no están en casa y se llevan el paquete nuevamente. El fotón influye en el estado del átomo. En el proceso, el giro atómico cambia, similar a una peonza, cuya rotación se invierte 180 grados de un momento a otro. A diferencia de, la información cuántica se empaqueta en el plano de oscilación (los físicos hablan de polarización) del fotón.

Pero, ¿cómo podemos saber si el fotón estaba allí y cambió el estado del átomo o no? Este es el trabajo del segundo resonador. Si no llega ningún fotón al detector en el momento esperado, los físicos de Garching pueden hacer que el átomo brille irradiándolo con luz láser. Pueden detectar fácilmente el brillo a través del segundo par de espejos y con un fotodetector clásico. Si un fotón se refleja en el otro resonador, cambiando el estado del átomo, esto no funciona, y el átomo permanece oscuro.

Desde 14 kilómetros, el detector acelera la comunicación cuántica

Los investigadores de Max Planck han demostrado con cálculos de modelos que la detección de fotones que transportan qubits hace que la comunicación cuántica sea más eficiente. Respectivamente, el detector que utilizaron para su experimento aceleraría la transmisión de información cuántica a una distancia mayor de 14 kilómetros. "Un detector de qubits fotónicos también puede ser útil a distancias más cortas, "dice Pau Farrera, que formaba parte del equipo de investigación. Sin embargo, para que esto suceda, la detección tendría que funcionar de forma aún más fiable que en el experimento actual. "Este no es un problema fundamental, sino solo técnico, "explica el físico. La eficiencia del detector sufre actualmente principalmente porque el resonador refleja sólo alrededor de un tercio de los fotones entrantes. Sólo en el caso de una reflexión, un fotón deja un rastro en el átomo". Sin embargo, podemos aumentar esta eficiencia a casi el 100 por ciento mejorando la fabricación de los resonadores ".

Un detector que detecte de manera confiable un qubit fotónico no solo sería útil para rastrear información cuántica durante la transmisión, sino que también podría confirmar la llegada del correo cuántico a su destino. Esto es beneficioso si la información codificada en el fotón se va a procesar adicionalmente de una manera compleja, por ejemplo, si se va a transferir a átomos entrelazados. El entrelazamiento es un fenómeno de la mecánica cuántica que se puede utilizar para cifrar y procesar datos. En este proceso, dos partículas espacialmente muy separadas se convierten en una sola entidad cuántica. Los cambios en una partícula conducen directamente a cambios en la otra. "Crear enredos es complejo, "dice Gerhard Rempe, Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica. "Debería usarlo para procesar un qubit sólo si está seguro de que este qubit está ahí".

Demostrar cómo el seguimiento de la publicación cuántica podría usarse en el procesamiento de información es un posible objetivo de futuros experimentos en el grupo de Gerhard Rempe:"Nos gustaría usar el detector para la comunicación cuántica entre nuestro Instituto en Garching y una ubicación más distante. Por ejemplo, para dar el paso de nuestro laboratorio a la aplicación práctica, ", dice el director de Max Planck." De esta manera, una vez más nos estamos acercando un poco más a nuestro gran objetivo a largo plazo, la internet cuántica ".