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Un interruptor de comunicaciones cuánticas
Internet está hecha de fotones que atraviesan cables de fibra óptica y fluyen a través de dispositivos como interruptores, moduladores y amplificadores. Pero esos dispositivos estándar serían inadecuados para la computación o las comunicaciones cuánticas ultrarrápidas, enfoques experimentales que explotan las propiedades peculiares de las partículas a escala cuántica para realizar cálculos complejos increíblemente rápido o para evitar que alguien espíe los mensajes.
Enciéndelo: Los componentes que se muestran aquí pueden redirigir fotones entrelazados.
Los interruptores comerciales tienen varios problemas que los hacen inadecuados para redirigir fotones entrelazados. Aquellos que están hechos de componentes microelectromecánicos mantienen intactos los estados entrelazados, pero operan con demasiada lentitud. Otros interruptores optoelectrónicos añaden demasiado ruido de modo que los fotones individuales son difíciles de detectar o destruyen por completo la información cuántica.
Prem Kumar , profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad Northwestern, ha desarrollado un interruptor de enrutamiento cuántico que puede transportar fotones entrelazados a lo largo de varios caminos mientras mantiene intacta la información cuántica.
El dispositivo podría ser particularmente útil para la computación cuántica, dice James Franson , profesor de física en la Universidad de Maryland, condado de Baltimore. Para construir una computadora cuántica usando fotones, necesitamos la capacidad de cambiar fotones [entrelazados], dice Franson. Un interruptor cuántico también podría algún día permitir que los fotones entrelazados de diferentes computadoras cuánticas se compartieran a largas distancias, como la computación en la nube, pero con información cuántica.
Kumar dice que el cambio también hará realidad las redes cuánticas ultraseguras. Por lo general, la información actual se protege mediante lo que se denomina cifrado de clave pública, que se basa en la imposibilidad práctica de realizar ciertas tareas matemáticas, como factorizar números extremadamente grandes. Las redes cuánticas ofrecerían una alternativa aún más segura al cifrado de clave pública. El uso de fotones entrelazados para comunicarse garantiza la seguridad porque cualquier intento de interceptar un mensaje perturbaría el estado cuántico de las partículas.
Para construir el nuevo interruptor cuántico, los investigadores utilizaron cable de fibra óptica comercial y otros componentes ópticos estándar, dice Kumar. Mi objetivo es hacer cosas en el espacio de la información cuántica que sean muy compatibles con las infraestructuras de fibra existentes, dice.
El primer paso es preparar los fotones. Los fotones entrelazados tienen propiedades, como la polarización, que están fundamentalmente vinculadas. Si dos fotones están entrelazados, la polarización medida de uno revela el estado correspondiente del otro. Los investigadores utilizaron una técnica en la que mezclaron varias longitudes de onda de luz dentro de una fibra estándar para crear pares de fotones entrelazados.
El siguiente paso es enviar un fotón por la fibra óptica hasta el interruptor, que cambia el curso del fotón. El interruptor de los investigadores está hecho solo de componentes ópticos, incluido un carrete de 100 metros de fibra óptica dispuesta en un bucle. Un fotón de un par entrelazado se envía a través de un extremo del bucle y a través de un multiplexor, mientras que un potente láser envía pulsos de luz al carrete. El fotón se desplaza de tal manera que en el otro extremo del bucle se separa a lo largo de un camino separado, mientras permanece enredado con su compañero.
El resultado final es un interruptor que es muy rápido, tiene poco ruido de fondo y, lo que es más importante, conserva la información cuántica. Los detectores de fotón único al final de las fibras confirman que ambos fotones mantuvieron su estado entrelazado, lo que demuestra que se conservó la información cuántica. El trabajo se describe en un número reciente de la revista Cartas de revisión física .
Es un avance importante, porque el cambio de fotones es realmente la principal diferencia para seguir avanzando en la computación cuántica utilizando fotones, dice Franson.