Sin embargo, esto no sólo da como resultado una enorme potencia informática, sino también una auténtica explosión de fórmulas cuando se describen matemáticamente. La representación gráfica abstracta de estos estados complejos en forma de "estrellas", "anillos" o "árboles", por ejemplo, ofrece una elegante simplificación.

El equipo de Olivier Morin en el departamento de Gerhard Rempe, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, ha logrado por primera vez crear en un experimento un estado gráfico en forma de anillo y de árbol. Este es un gran avance para el desarrollo de las computadoras cuánticas o la Internet cuántica.

En una futura Internet cuántica, en la que Rempe lleva tiempo investigando como pionera, los cuantos de luz podrían entrelazarse para formar un mensaje cuántico mucho más estable frente a pérdidas. El trabajo está publicado en Nature .

El concepto de entrelazamiento forma la base de todas las tecnologías de información cuántica que se están investigando y desarrollando, ya sean computadoras cuánticas o Internet cuántica. El elemento básico son pares de bits cuánticos, o simplemente qubits, que están entrelazados entre sí.

Puedes imaginar un par como dos luces LED conectadas entre sí mediante un cable. Al conectar más y más de ellos, se pueden formar cadenas de luces más largas. Las luces representan los qubits, los trozos de cable el entrelazamiento entre ellos. Esto permite crear no sólo cadenas, sino también anillos, estrellas o estructuras en forma de árbol.

Sin embargo, dibujar una imagen que parezca adornos navideños en esta analogía también puede resultar muy interesante para el procesamiento de información cuántica, ahora de nuevo en forma de qubits entrelazados. "Con una configuración en forma de escalera de qubits entrelazados se puede construir, por ejemplo, un ordenador cuántico universal", explica Gerhard Rempe.

Su interés de investigación radica en la Internet cuántica, en la que la información cuántica, empaquetada en fotones entrelazados como "qubits voladores", se envía a través de redes de fibra óptica. El mayor desafío aquí es la pérdida de fotones, que aumenta exponencialmente con la duración de la transmisión.

Como antídoto, sería inteligente, por ejemplo, superponer un entrelazamiento en forma de árbol a una corriente de fotones que vuelan uno tras otro. "Se podría escribir información cuántica en él de forma redundante", explica Rempe, "e incluso si sólo la mitad de los fotones llegaran al receptor, todavía se podría recrear esta información".

Notación gráfica elegante para entrelazamientos complejos

Visto desde fuera, el flujo de fotones siempre parecería un collar de perlas, según el físico, independientemente de la forma del estado cuántico gráfico de los fotones. La representación gráfica como estrella, árbol o anillo se encuentra en un espacio matemático abstracto.

La física matemática lo desarrolló hace muchos años para resolver un problema:cuanto más se entrelazan los qubits entre sí, especialmente en las conexiones cruzadas, más gigantescas se vuelven las fórmulas de la mecánica cuántica que habría que escribir.

Se trata esencialmente de la misma explosión exponencial que produce la potencia informática de los bits cuánticos. La representación gráfica, por otro lado, es deliciosamente simple:los nodos simbolizan los bits cuánticos, las líneas entre ellos el entrelazamiento.

Extremadamente difícil de realizar experimentalmente

Lo que en teoría parece maravillosamente elegante y sencillo, resulta extremadamente difícil de realizar experimentalmente. "En 2007, imaginamos por primera vez que podríamos producir estados gráficos de mecánica cuántica utilizando nuestras técnicas experimentales", dice Rempe.

El profesor de física ha pasado décadas perfeccionando un proceso en el que átomos individuales quedan atrapados entre dos espejos altamente reflectantes. Estas cavidades ópticas se pueden utilizar para abordar diversas cuestiones fundamentales de la física, como cómo interactúa la luz con la materia. Una cavidad así actúa sobre el átomo como dos espejos entre los cuales uno puede situarse, verse un millón de veces como un reflejo en un reflejo, etc.

Una vez que un átomo se ilumina, es decir, emite un fotón, "ve" cientos de miles de átomos iluminados, imágenes especulares de sí mismo. Esto obliga al átomo a emitir el fotón exactamente en la dirección del eje del espejo. Uno de los dos espejos es ligeramente permeable, como en un láser, por lo que el fotón puede escapar del "salón de los espejos" y ser registrado por un detector.

Sólo gracias a este truco los investigadores saben dónde buscar el diminuto fotón y así pueden colocar el detector correctamente. El propio átomo, flotando en un campo de luz, puede manipularse a través de los extremos abiertos de la cavidad utilizando láseres y ópticas de alta precisión.

Los qubits físicamente separados se fusionan en un único qubit lógico

En 2007, un estudiante de doctorado logró por primera vez inducir de este modo a un átomo a emitir dos fotones entrelazados. Esta fue la chispa inicial de Rempe. En 2022, el grupo de Olivier Morin en el departamento de Rempe logró 12 fotones entrelazados en forma de cadena y 14 en forma de estrella:un récord mundial.

Sin embargo, matemáticamente hablando, estos eran sólo estados gráficos unidimensionales, incluida la "estrella". Para llegar a anillos o árboles, se necesitaba una segunda dimensión, un "área" en el espacio abstracto de los estados del gráfico.

El equipo capturó dos átomos de rubidio-87 en la cavidad óptica y preparó un gráfico unidimensional de estado con ambos átomos, en el que el átomo está entrelazado con muchos fotones. Mediante una medición conjunta de ambos átomos, los dos qubits atómicos físicamente separados se "fusionan" en un único qubit "lógico". Esto luego genera un estado de gráfico bidimensional.

De esta manera, ha sido posible fusionar cadenas de fotones simples en un estado gráfico en forma de árbol, por ejemplo, y generar así patrones de entrelazamiento complejos adecuados para aplicaciones sofisticadas.

"Las implicaciones son gigantescas", dice Rempe sobre este avance después de una maratón científica de casi una década. "Actualmente se está formando toda una nueva comunidad de investigación en torno a este tema."