Comunicaciones de la Naturaleza investigación publicada por un equipo internacional de Wits e ICFO, el Instituto de Ciencias Fotónicas, que demuestra el transporte similar a la teletransportación de "patrones" de luz; este es el primer enfoque que puede transportar imágenes a través de una red sin enviar físicamente la imagen y un paso crucial hacia la realización de una red cuántica para estados entrelazados de alta dimensión.
La comunicación cuántica a largas distancias es parte integral de la seguridad de la información y se ha demostrado con estados bidimensionales (qubits) en distancias muy largas entre satélites. Esto puede parecer suficiente si lo comparamos con su contraparte clásica, es decir, enviar bits que se pueden codificar en 1 (señal) y 0 (sin señal), uno a la vez.
Sin embargo, la óptica cuántica nos permite aumentar el alfabeto y describir de forma segura sistemas más complejos en una sola toma, como una huella digital única o un rostro.
"Tradicionalmente, dos partes en comunicación envían físicamente la información de una a la otra, incluso en el ámbito cuántico", dice el profesor Andrew Forbes, investigador principal de la Universidad de Wits.
"Ahora es posible teletransportar información para que nunca viaje físicamente a través de la conexión:una tecnología de 'Star Trek' hecha realidad". Desafortunadamente, hasta ahora la teletransportación solo se ha demostrado con estados tridimensionales (imagínese una imagen de tres píxeles), por lo que se necesitan fotones entrelazados adicionales para alcanzar dimensiones más altas.
En esta investigación, el equipo realizó la primera demostración experimental del transporte cuántico de estados de alta dimensión con sólo dos fotones entrelazados como recurso cuántico, lo que dio como resultado que la información pareciera "teletransportarse" del emisor al receptor. Para avanzar, el equipo utilizó un detector óptico no lineal que evita la necesidad de fotones adicionales pero funciona para cualquier "patrón" que deba enviarse.
Presentan un nuevo estado del arte de 15 dimensiones, con un esquema escalable a dimensiones aún mayores, allanando el camino para conexiones de redes cuánticas con alta capacidad de información.
Imagine a un cliente que desea enviar información confidencial a un banco, tal vez una huella digital. En la comunicación cuántica tradicional, la información debe enviarse físicamente desde el cliente al banco, siempre con riesgo de interceptación (aunque sea segura). En el nuevo esquema de transporte cuántico propuesto, el banco envía un único fotón (uno de un par entrelazado) sin información al cliente, quien lo superpone en un detector no lineal con la información que se va a enviar.
De este modo, la información aparece en el banco exactamente como si hubiera sido teletransportada allí. Nunca se envía físicamente información entre las dos partes, por lo que la interceptación es infructuosa, mientras que el vínculo cuántico que conecta a las partes se establece mediante el intercambio de fotones cuánticos entrelazados.
"Este protocolo tiene todas las características de la teletransportación excepto por un ingrediente esencial:requiere un rayo láser brillante para hacer que el detector no lineal sea eficiente, de modo que el remitente pueda saber qué se va a enviar, pero no necesita saberlo", explica Forbes. .
"En este sentido, no se trata estrictamente de teletransportación, pero podría serlo en el futuro si el detector no lineal pudiera hacerse más eficiente". Incluso tal como está ahora, abre un nuevo camino para conectar redes cuánticas, marcando el comienzo de la óptica cuántica no lineal como recurso.
"Esperamos que este experimento que muestra la viabilidad del proceso motive nuevos avances en la comunidad de la óptica no lineal superando los límites hacia una implementación cuántica completa", afirma el Dr. Adam Vallés del ICFO (Barcelona), uno de los líderes del proyecto que trabajó en el experimento durante su beca postdoctoral en Wits.
"Tenemos que ser cautelosos ahora, ya que esta configuración no podría evitar que un remitente engañoso conserve mejores copias de la información para ser teletransportada, lo que significa que podríamos terminar con muchos clones del Sr. Spock en el mundo de Star Trek si eso es lo que Scotty quería."
"Desde un punto de vista práctico, la configuración que demostramos actualmente ya se puede utilizar para establecer un canal seguro de alta dimensión para comunicaciones cuánticas entre dos partes, siempre que el protocolo no necesite ser alimentado con fotones individuales, como sería el caso de los repetidores cuánticos."
Vallés añade:"Realizar tales experimentos de prueba de concepto con la tecnología actualmente disponible ha sido un viaje interesante, y debemos agradecer a la Dra. Bereneice Sephton de Wits por su determinación y el amplio conjunto de habilidades necesarias para domar a una bestia tan experimental. Es un verdadero esfuerzo de laboratorio por el cual debería ser elogiada."
Forbes se hace eco del sentimiento:"Este fue un experimento heroico, y se debe reconocer a la Dra. Bereneice Sephton, ya que ella fue quien hizo que el sistema funcionara y realizó los experimentos clave".
El equipo planea seguir trabajando en esta dirección y el siguiente paso se centrará en el transporte cuántico a través de una red de fibra óptica.
Más información: Bereneice Sephton et al, Transporte cuántico de información espacial de alta dimensión con un detector no lineal, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43949-x
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por Wits University
