Computadoras, teléfonos inteligentes, GPS:la física cuántica ha permitido muchos avances tecnológicos. Ahora está abriendo nuevos campos de investigación en criptografía (el arte de codificar mensajes) con el objetivo de desarrollar redes de telecomunicaciones ultraseguras. Sin embargo, hay un obstáculo:después de unos cientos de kilómetros dentro de una fibra óptica, los fotones que transportan los qubits o "bits cuánticos" (la información) desaparecen. Por lo tanto, necesitan "repetidores", una especie de "relé", que se basan en parte en una memoria cuántica. Al lograr almacenar un qubit en un cristal (una "memoria") durante 20 milisegundos, un equipo de la Universidad de Ginebra (UNIGE) estableció un récord mundial y dio un gran paso hacia el desarrollo de redes de telecomunicaciones cuánticas de larga distancia. Esta investigación se puede encontrar en la revista npj Quantum Information .

Desarrollada durante el siglo XX, la física cuántica ha permitido a los científicos describir el comportamiento de los átomos y las partículas, así como ciertas propiedades de la radiación electromagnética. Al romper con la física clásica, estas teorías generaron una verdadera revolución e introdujeron nociones sin equivalente en el mundo macroscópico como la superposición, que describe la posibilidad de que una partícula esté en varios lugares a la vez, o el entrelazamiento, que describe la capacidad de dos partículas afectarse mutuamente instantáneamente, incluso a distancia ("acción espeluznante a distancia").

Las teorías cuánticas están ahora en el centro de mucha investigación en criptografía, una disciplina que reúne técnicas para codificar un mensaje. Las teorías cuánticas permiten garantizar la perfecta autenticidad y confidencialidad de la información (un qubit) cuando se transmite entre dos interlocutores por una partícula de luz (un fotón) dentro de una fibra óptica. El fenómeno de superposición le permite al emisor saber inmediatamente si el fotón que transmite el mensaje ha sido interceptado.

Memorización de la señal

Sin embargo, existe un gran obstáculo para el desarrollo de sistemas de telecomunicaciones cuánticas de larga distancia:más allá de unos pocos cientos de kilómetros, los fotones se pierden y la señal desaparece. Dado que la señal no se puede copiar ni amplificar, perdería el estado cuántico que garantiza su confidencialidad, el desafío es encontrar la manera de repetirla sin alterarla creando "repetidores" basados, en particular, en una memoria cuántica.

En 2015, el equipo dirigido por Mikael Afzelius, profesor titular del Departamento de Física Aplicada de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Ginebra (UNIGE), logró almacenar un qubit transportado por un fotón durante 0,5 milisegundos en un cristal (un "memoria"). Este proceso permitió que el fotón transfiriera su estado cuántico a los átomos del cristal antes de desaparecer. Sin embargo, el fenómeno no duró lo suficiente como para permitir la construcción de una red de memorias más grande, un requisito previo para el desarrollo de las telecomunicaciones cuánticas de larga distancia.

Registro de almacenamiento

Hoy, en el marco del programa European Quantum Flagship, el equipo de Mikael Afzelius ha conseguido aumentar significativamente esta duración almacenando un qubit durante 20 milisegundos. “Se trata de un récord mundial para una memoria cuántica basada en un sistema de estado sólido, en este caso un cristal. Incluso hemos conseguido llegar a los 100 milisegundos con una pequeña pérdida de fidelidad”, se entusiasma el investigador. Como en su trabajo anterior, los científicos de UNIGE utilizaron cristales dopados con ciertos metales llamados "tierras raras" (en este caso, europio), capaces de absorber luz y luego reemitirla. Estos cristales se mantuvieron a -273,15°C (cero absoluto), porque más allá de los 10°C por encima de esta temperatura, la agitación térmica del cristal destruye el entrelazamiento de los átomos.

"Aplicamos un pequeño campo magnético de una milésima de Tesla al cristal y utilizamos métodos de desacoplamiento dinámico, que consisten en enviar intensas frecuencias de radio al cristal. El efecto de estas técnicas es desacoplar los iones de tierras raras de las perturbaciones del y aumentar el rendimiento de almacenamiento que hemos conocido hasta ahora en un factor de casi 40", explica Antonio Ortu, becario posdoctoral del Departamento de Física Aplicada de la UNIGE. Los resultados de esta investigación constituyen un gran avance para el desarrollo de redes de telecomunicaciones cuánticas de larga distancia. También llevan el almacenamiento de un estado cuántico transportado por un fotón a una escala de tiempo que los humanos pueden estimar.

Un sistema eficiente en 10 años

Sin embargo, aún quedan varios desafíos por cumplir. "El desafío ahora es extender aún más el tiempo de almacenamiento. En teoría, sería suficiente aumentar la duración de la exposición del cristal a las radiofrecuencias, pero por el momento, los obstáculos técnicos para su implementación durante un período de tiempo más largo impiden nos impide ir más allá de los 100 milisegundos. Sin embargo, es seguro que estas dificultades técnicas se pueden resolver", dice Mikael Afzelius.

Los científicos también tendrán que encontrar formas de diseñar memorias capaces de almacenar más de un fotón a la vez y, por lo tanto, tener fotones "entrelazados" que garanticen la confidencialidad. “El objetivo es desarrollar un sistema que rinda bien en todos estos puntos y que pueda comercializarse dentro de diez años”, concluye el investigador. + Explora más

El encadenamiento de átomos produce almacenamiento cuántico