Ordenadores, smartphones, GPS: la física cuántica ha permitido muchos avances tecnológicos. Ahora está abriendo nuevos campos de investigación en criptografía el arte de codificar mensajes con el objetivo de desarrollar redes de telecomunicaciones ultraseguras. Hay un obstáculo,sin embargo: después de unos cientos de kilómetros dentro de una fibra óptica, los fotones que transportan los qubits o 'bits cuánticos' la información desaparecen, por lo que necesitan 'repetidores', una especie de 'relé', que se basan en parte en un quántumAl lograr almacenar un qubit en un cristal una "memoria" durante 20 milisegundos, un equipo de la Universidad de Ginebra UNIGE estableció un récord mundial y dio un gran paso hacia el desarrollo de las telecomunicaciones cuánticas de larga distancia.redes. Esta investigación se puede encontrar en la revista Información cuántica npj.
Desarrollada durante el siglo XX, la física cuántica ha permitido a los científicos describir el comportamiento de los átomos y partículas así como ciertas propiedades de la radiación electromagnética. Al romper con la física clásica, estas teorías generaron una verdadera revolución e introdujeron nociones sin equivalente en el macroscópicomundo como la superposición, que describe la posibilidad de que una partícula esté en varios lugares a la vez, o el entrelazamiento, que describe la capacidad de dos partículas para afectarse entre sí instantáneamente incluso a distancia "acción espeluznante a distancia".
Las teorías cuánticas están ahora en el centro de muchas investigaciones en criptografía, una disciplina que reúne técnicas para codificar un mensaje. Las teorías cuánticas permiten garantizar la perfecta autenticidad y confidencialidad de la información un qubit cuando se transmite entre dos interlocutorespor una partícula de luz un fotón dentro de una fibra óptica. El fenómeno de superposición le permite al emisor saber inmediatamente si el fotón que transmite el mensaje ha sido interceptado.
Memorización de la señal
Sin embargo, existe un gran obstáculo para el desarrollo de sistemas de telecomunicaciones cuánticas de larga distancia: más allá de unos pocos cientos de kilómetros, los fotones se pierden y la señal desaparece. Dado que la señal no se puede copiar ni amplificar, perdería la señal cuánticaestado que garantice su confidencialidad; el desafío es encontrar una manera de repetirlo sin alterarlo mediante la creación de 'repetidores' basados, en particular, en una memoria cuántica.
En 2015, el equipo dirigido por Mikael Afzelius, profesor titular del Departamento de Física Aplicada de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Ginebra UNIGE, logró almacenar un qubit transportado por un fotón durante 0,5 milisegundos en un cristaluna 'memoria'. Este proceso permitió que el fotón transfiriera su estado cuántico a los átomos del cristal antes de desaparecer. Sin embargo, el fenómeno no duró lo suficiente como para permitir la construcción de una red más grande de memorias, un requisito previo para ladesarrollo de las telecomunicaciones cuánticas de larga distancia.
Registro de almacenamiento
Hoy, en el marco del programa European Quantum Flagship, el equipo de Mikael Afzelius ha conseguido aumentar esta duración de forma significativa almacenando un qubit durante 20 milisegundos. “Se trata de un récord mundial para una memoria cuántica basada en un sistema de estado sólido, en este caso un cristal. Incluso hemos conseguido llegar a los 100 milisegundos con una pequeña pérdida de fidelidad”, se entusiasma el investigador. Como en su trabajo anterior, los científicos de la UNIGE utilizaron cristales dopados con ciertos metales llamados 'tierras raras' europio en este caso, capaz de absorber luz y luego reemitirla.Estos cristales se mantuvieron a -273,15°C cero absoluto, porque más allá de los 10°C por encima de esta temperatura, la agitación térmica del cristal destruye elentrelazamiento de los átomos.
"Aplicamos un pequeño campo magnético de una milésima de Tesla al cristal y utilizamos métodos de desacoplamiento dinámico, que consisten en enviar intensas frecuencias de radio al cristal. El efecto de estas técnicas es desacoplar los iones de tierras raras de las perturbacionesdel medio ambiente y aumentar el rendimiento de almacenamiento que conocemos hasta ahora en un factor de casi 40", explica Antonio Ortu, becario posdoctoral del Departamento de Física Aplicada de la UNIGE. Los resultados de esta investigación constituyen un gran avance para eldesarrollo de redes de telecomunicaciones cuánticas de larga distancia. También llevan el almacenamiento de un estado cuántico transportado por un fotón a una escala de tiempo que puede ser estimada por humanos.
Un sistema eficiente en diez años
Sin embargo, aún quedan varios desafíos por cumplir. "El desafío ahora es extender aún más el tiempo de almacenamiento. En teoría, sería suficiente para aumentar la duración de la exposición del cristal a las radiofrecuencias, pero por el momento, los obstáculos técnicos para su implementación durante un período de tiempo más largo nos impiden ir más allá de los 100 milisegundos. Sin embargo, es seguro que estas dificultades técnicas se pueden resolver", dice Mikael Afzelius.
Los científicos también tendrán que encontrar formas de diseñar memorias capaces de almacenar más de un fotón a la vez y, por lo tanto, tener fotones 'enredados' que garanticen la confidencialidad. "El objetivo es desarrollar un sistema que funcione bien entodos estos puntos y que se pueda comercializar en un plazo de diez años”, concluye el investigador.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Ginebra. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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