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Un salto de memoria cuántica
En los últimos años, los físicos han ideado numerosas formas de utilizar las rarezas de la mecánica cuántica para transmitir y procesar información.
Ahora, un equipo de investigadores ha anunciado un paso importante hacia el uso de esta información cuántica: la transferencia fantasmal del estado cuántico de un solo ion a otro a un metro de distancia. Dado que los iones pueden almacenar un estado cuántico durante muchos segundos, este esquema de teletransportación cuántica podría ganar suficiente tiempo para manipulaciones que permitan comunicaciones de larga distancia que son inmunes a escuchas ilegales, o para cálculos que explotan la mecánica cuántica para realizar cálculos ultrarrápidos.
Para transferir un poco de información cuántica de un sistema de tamaño atómico a otro, los dos sistemas deben comenzar en la condición cuántica llamada entrelazamiento. Los sistemas entrelazados siempre dan las respuestas correspondientes, como dos monedas que, aunque individualmente impredecibles, siempre salen una cara y una cruz. Los físicos han teletransportado el estado entre fotones de luz entrelazados, pero desafortunadamente, no pueden almacenar la información cuántica por mucho tiempo. Recientemente, otros investigadores han teletransportado el estado cuántico de iones individuales, mucho más longevo, pero solo cuando estaban atrapados muy juntos.
Para transferir información cuántica persistente a distancias más largas, Chris Monroe y su grupo en la Universidad de Maryland se asoció con Luming Duan en la Universidad de Michigan para atrapar y enfriar dos iones de iterbio individuales. El equipo codificó información cuántica mezclando dos estados que se diferencian solo por el momento angular del núcleo. A diferencia del valor 0 o 1 de un bit en la computación ordinaria, los investigadores pueden crear una mezcla arbitraria de los dos estados nucleares, conocida como qubit, sometiendo los iones a microondas. Una vez formado, un ion retiene esta mezcla durante varios segundos, el tiempo suficiente para realizar cálculos que actúan sobre ambos valores simultáneamente.
Ampliando una técnica que el equipo de Monroe demostró en 2007, los investigadores expusieron ambos iones a un pulso de luz ultracorto, empujando a cada uno a un estado de mayor energía. Luego, cada ion volvió a su estado original emitiendo un fotón. Medir el color de este fotón habría dejado el ion en uno de los dos estados nucleares. Pero en cambio, los investigadores solo probaron si los dos fotones eran de diferentes colores. Como no determinaron qué color provenía de qué ion, ver este resultado dejó a los iones en un estado entrelazado que incluía ambas posibilidades.
Transpórtame: Cada una de las dos cámaras cilíndricas (izquierda y derecha) contiene un solo átomo. Los tubos negros en primer plano se utilizan para obtener imágenes de cada átomo. Las fibras ópticas que canalizan fotones individuales de cada átomo están opuestas a los tubos, en el lado izquierdo de la imagen, cubiertas con papel negro. Los fotones interfieren dentro de la gran caja rectangular negra de la izquierda.
Para realizar la teletransportación, los investigadores prepararon el ión de la izquierda en un estado cuántico arbitrario y luego atacaron repetidamente los iones con pulsos de láser hasta que vieron los pares de fotones de colores opuestos que anunciaban el estado entrelazado. Rápidamente midieron en qué estado nuclear se encontraba el ión de la izquierda y, en el proceso, destruyeron su mezcla cuántica. Pero el entrelazamiento hace que aparezca una mezcla estrechamente relacionada en el ión de la derecha. Los investigadores volvieron a convertir esto en una versión teletransportada del estado original manipulándolo de una de dos maneras, dependiendo del estado que midieron para el ión de la izquierda.
Esta es la primera realización de la teletransportación cuántica entre dos átomos remotos, observa Myungshik Kim de la Queen's University de Belfast, en Irlanda del Norte, que no participó en el trabajo. Es una técnica bastante inteligente.
Un problema es que se necesitan casi 100 millones de pulsos de láser, aproximadamente 10 minutos, para obtener un solo par entrelazado. Para que sea útil para otros experimentos, este número debe mejorarse unas 1000 veces, principalmente mediante la recolección de más fotones emitidos. El esquema para teletransportarse entre iones distantes podría habilitar repetidores cuánticos que permitan la transmisión de información cuántica a larga distancia, señala Monroe. Además, dice que es muy adecuado para un enfoque cada vez más estudiado de la computación cuántica que comienza con una gran cantidad de qubits entrelazados.