Primera demostración de un enrutador cuántico

Los físicos han explotado la naturaleza cuántica de los fotones para transmitir información desde hace algún tiempo. Y al hacerlo, han descubierto cuán poderosa se puede comparar la comunicación cuántica con la clásica.

En lugar de enviar los 0 y 1 del código digital, los comunicadores cuánticos pueden enviar información en una superposición de estados que representan 0 y 1 al mismo tiempo. Además, los objetos cuánticos separados, como un par de fotones, se pueden entrelazar, lo que significa que comparten la misma existencia incluso si están muy separados. Eso conduce a una forma de información cuántica que no tiene una contraparte clásica.

La información cuántica es el factor habilitador detrás de una serie de tecnologías emergentes que muchos físicos esperan que tengan un gran impacto en la sociedad en el futuro: poderosas computadoras cuánticas, criptografía cuántica (casi) perfectamente segura e Internet cuántico que distribuirá estas capacidades por todo el planeta.

Pero hay un problema con esta visión del futuro cuántico. Por el momento, los físicos solo pueden enviar fotones que transportan información cuántica a lo largo de una sola fibra óptica.

Guiar los fotones hacia otra fibra es un proceso llamado enrutamiento, que usa una señal de control para determinar el destino y la ruta de una señal de datos. Un enrutador clásico simplemente lee los datos en la señal de control y enruta la señal de datos en consecuencia.

Pero en el mundo cuántico, leer una señal de control también la destruye. Por lo tanto, solo ha sido posible enrutar señales de datos cuánticos utilizando señales de control clásicas. Y aunque eso es útil, no permite que el proceso de enrutamiento explote todo el poder de la información cuántica.

Hoy, Xiuying Chang y algunos amigos de la Universidad de Tsinghau en China anuncian que han construido y probado el primer enrutador cuántico que utiliza una señal de control cuántico para determinar la ruta de una señal de datos cuánticos. Nos ... damos cuenta de la primera demostración de prueba de principio de un enrutador cuántico genuino, dicen.

En este nuevo dispositivo, la información está codificada en la polarización de fotones, ya sea horizontal o vertical. El grupo chino comienza creando un solo fotón que está en una superposición de estados de polarización horizontal y vertical.

Luego convierten este único fotón en un par de fotones de menor energía que se entrelazan, un proceso llamado conversión descendente paramétrica. Ambos fotones también se encuentran en una superposición de estados de polarización.

El enrutador funciona utilizando la polarización de uno de estos fotones como señal de control para determinar la ruta del otro, la señal de datos. El dispositivo es simple, poco más que una colección de medios espejos para guiar fotones y placas de ondas para rotar su polarización.

Primero, sigamos la ruta del fotón de datos que está determinada por un conjunto de semiespejos que lo envían de una forma u otra, dependiendo de su polarización. El truco consiste en configurar el enrutador de modo que la polarización del fotón de control influya en esta ruta.

El grupo chino hace esto rotando la polarización del fotón de control usando placas de media y cuarta onda a medida que el fotón de datos llega a la mitad de los espejos. El fenómeno cuántico del entrelazamiento asegura que el fotón de datos se enrute en consecuencia. En efecto, el enrutador funciona como una puerta lógica.

Por supuesto, el éxito del enrutamiento es probabilístico como todos los demás fenómenos cuánticos. Chang y sus compañeros terminan su experimento verificando las características del enrutador como una puerta lógica y asegurándose de que ambos fotones aún estén enredados después de pasar a través de él.

Ese es un paso adelante interesante, pero el nuevo enrutador tiene limitaciones importantes. El más significativo de ellos es que solo puede manejar un bit cuántico o un qubit a la vez. Y debido a que el proceso de conversión descendente paramétrica no puede manejar más qubits, no se puede escalar a más qubits.

Eso es un inconveniente importante. Significa que este es un dispositivo de prueba de principio, pero no uno que alguna vez formará la base de una futura Internet cuántica.

En cierto sentido, es un poco como las primeras computadoras cuánticas que dependían de la resonancia magnética nuclear para manipular los giros de las moléculas en una tina de acetona. Estos realizaron cálculos triviales utilizando un puñado de qubits, pero no se pudieron ampliar para hacer nada interesante.

Eso no quiere decir que nunca tendremos enrutadores cuánticos escalables. Varios grupos están trabajando en diferentes enfoques que tienen el potencial de escalar. El progreso es constante pero lento.

Se acerca una internet cuántica. El problema es que nadie sabe cuándo.

Ref: arxiv.org/abs/1207.7265 : Demostración experimental de un enrutador cuántico basado en enredos

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