Red cuántica a través del país: nueva técnica promete velocidades increíbles

Las computadoras cuánticas ofrecen formas poderosas de mejorar la ciberseguridad, las comunicaciones y el procesamiento de datos, entre otros campos. Sin embargo, para obtener todos estos beneficios, es necesario conectar varias computadoras cuánticas para construir redes cuánticas o una internet cuántica. Los científicos han luchado por encontrar métodos prácticos para construir tales redes, que deben transmitir información cuántica a largas distancias.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago (PME) han propuesto un nuevo enfoque: construir canales cuánticos largos utilizando tubos sellados al vacío con una serie de lentes espaciadas. Estas guías de haz al vacío, de unos 20 centímetros de diámetro, tendrían rangos de miles de kilómetros y capacidades de más de 1013 qubits por segundo, mejores que cualquier enfoque de comunicación cuántica existente. Los fotones de luz que codifican datos cuánticos se moverían a través de los tubos de vacío y se mantendrían enfocados gracias a las lentes.

“Creemos que este tipo de red es factible y tiene mucho potencial”, dijo Liang Jiang, profesor de ingeniería molecular y autor principal del nuevo trabajo. “No solo podría usarse para la comunicación segura, sino también para construir redes de computación cuántica distribuidas, tecnologías de detección cuántica distribuidas, nuevos tipos de telescopios y relojes sincronizados”.

Jiang colaboró con científicos de la Universidad de Stanford y el Instituto de Tecnología de California en el nuevo trabajo, que se publica en Physical Review Letters.

Enviando qubits

Mientras que las computadoras clásicas codifican datos en bits convencionales, representados como un 0 o un 1, las computadoras cuánticas se basan en qubits, que pueden exhibir fenómenos cuánticos. Estos fenómenos incluyen la superposición, una especie de combinación ambigua de estados, así como el entrelazamiento, que permite que dos partículas cuánticas estén correlacionadas entre sí incluso a través de vastas distancias.

Estas propiedades les dan a las computadoras cuánticas la capacidad de analizar nuevos tipos de datos y almacenar y transmitir información de formas nuevas y seguras. La conexión de múltiples computadoras cuánticas puede hacerlas aún más poderosas, ya que sus capacidades de procesamiento de datos se pueden agrupar. Sin embargo, las redes que se utilizan normalmente para conectar computadoras no son ideales porque no pueden mantener las propiedades cuánticas de los qubits.

“No puedes enviar un estado cuántico a través de una red clásica”, explicó Jiang. “Puedes enviar un fragmento de datos de forma clásica, una computadora cuántica puede procesarlo, pero el resultado se envía de vuelta de forma clásica”.

Algunos investigadores han probado formas de usar cables de fibra óptica y satélites para transmitir fotones ópticos, que pueden actuar como qubits. Los fotones pueden viajar una corta distancia a través de los cables de fibra óptica existentes, pero generalmente pierden su información rápidamente a medida que los fotones se absorben. Los fotones rebotados a satélites y de regreso a la Tierra en una nueva ubicación se absorben menos debido al vacío del espacio, pero su transmisión está limitada por la absorción atmosférica y la disponibilidad de los satélites.

“Lo que queríamos hacer era combinar las ventajas de cada uno de esos enfoques anteriores”, dijo el estudiante graduado de PME Yuexun Huang, el primer autor del nuevo trabajo. “En un vacío, puedes enviar mucha información sin atenuación. Pero poder hacer eso en tierra sería ideal”.

Aprendiendo de LIGO

Los científicos que trabajan en el Observatorio de ondas gravitacionales por interferómetro láser (LIGO) del Instituto de Tecnología de California han construido enormes tubos de vacío terrestres para contener fotones de luz en movimiento que pueden detectar ondas gravitacionales. Los experimentos en LIGO han demostrado que dentro de un vacío casi libre de moléculas, los fotones pueden viajar miles de kilómetros.

Inspirados por esta tecnología, Jiang, Huang y sus colegas comenzaron a esbozar cómo los tubos de vacío más pequeños podrían utilizarse para transportar fotones entre computadoras cuánticas. En su nuevo trabajo teórico, demostraron que estos tubos, si se diseñan y se organizan adecuadamente, podrían transportar fotones a través del país. Además, solo necesitarían vacío medio (presión atmosférica de 10^-4), lo que es mucho más fácil de mantener que el ultra alto vacío (presión atmosférica de 10^-11) requerido para LIGO.

“El principal desafío es que a medida que un fotón se mueve a través de un vacío, se extiende un poco”, explicó Jiang. “Para superar eso, proponemos colocar lentes cada pocos kilómetros que puedan enfocar el haz a largas distancias sin pérdida de difracción”.

En colaboración con investigadores de Caltech, el grupo está planeando experimentos de mesa para probar la practicabilidad de la idea, y luego planea usar tubos de vacío más grandes como los de LIGO para trabajar en cómo alinear las lentes y estabilizar los haces de fotones a largas distancias.

“Implementar esta tecnología a mayor escala plantea algunos desafíos de ingeniería civil que también debemos resolver”, dijo Jiang. “Pero el beneficio final es que tenemos redes cuánticas grandes que pueden comunicar decenas de terabytes de datos por segundo”.

Cita: “Guía de haz de vacío para redes cuánticas a gran escala”, Huang et al, Physical Review Letters, 9 de julio de 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.020801

Financiamiento: Este trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación del Ejército, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, la Fundación Nacional de Ciencias, NTT Research, la Fundación Packard, el Programa de Investigación Familiar Marshall y Arlene Bennett y el Departamento de Energía de EE. UU.