Átomos que teletransportan información a largas distancias

Los físicos hemos teletransportado información cuántica entre dos átomos separados una distancia significativa por primera vez. Hasta ahora esta hazaña sólo se había logrado entre fotones, y entre dos átomos cercanos a través de de la acción intermedia de un tercero. De acuerdo con los investigadores, este avance podría ser un hito significativo en la búsqueda de un ordenador cuántico factible.

El teletransporte cuántico es una notable forma de transporte sólo disponible a partículas de las escalas atómicas y subatómicas. La información como el espín de una partícula o la polarización de un fotón puede transferirse entre partícula sin viajar a través de un medio físico. El teletransporte se hace posible mediante una característica de la mecánica cuántica conocida como “entrelazamiento”.

De acuerdo con la mecánica cuántica, cuando las partículas se entrelazan, el mismo acto de medir el estado cuántico de una partícula revela instantáneamente información sobre el estado de la segunda. En teoría, este efecto debería ocurrir sin importar la distancia de las partículas. En la práctica, es muy difícil de observar debido a influencias externas: si las partículas interactúan de forma incontrolable con el entorno o si intentas grabar dos estados cuánticos directamente – el entrelazamiento desaparece.

Ahora, investigadores de la Universidad de Maryland y la Universidad de Michigan han teletransportado con éxito información cuántica entre dos iones de iterbio separados un metro, informado de un índice de éxito de un 90 por ciento. Emplean un nuevo método de teletransporte donde los iones son estimulados a emitir fotones y los estados cuánticos se infieren a partir del color de estas emisiones (Science 323 486).

“Nuestro sistema tiene el potencial de formar la base de un “repetidor cuántico” a gran escala que pueda manejar redes de memorias cuánticas a lo largo de grandes distancias”, dijo el líder del grupo Christopher Munroe de la Universidad de Maryland.

Doble entrelazamiento

En el teletransporte cuántico el emisor (Alice) transfiere de forma instantánea el estado cuántico de una partícula a un receptor (Bob). En 1997 los físicos lograron el teletransporte de estados cuánticos entre fotones por primera vez. Sus métodos explotaban el principio de incertidumbre: Alice no podría saber con exactitud el estado de su fotón, pero el efecto del entrelazamiento significaría que aún podría teletransportar su estado a Bob.

Entonces en 2004 equipos distintos de físicos en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Colorado y la Universidad de Innsbruck en Austria demostraron el teletransporte a escala atómica por primera vez. Usando métodos ligeramente distintos, transfirieron el espín entre un par de iones atrapados en un potencial armónico. Desgraciadamente, el teletransporte – usando estos métodos – está restringido a distancias muy cortas debido a que los potenciales armónicos son a escala molecular.

Ahora Munroe y su equipo han llevado el teletransporte en otra dirección. Primero aislaron los átomos de iterbio en trampas de vacío separadas rodeadas de campos electromagnéticos. Cada ión – en su estado base – se irradia entonces con un estallido de microondas el cual pone los iones en una superposición de dos estados cuánticos distintos. Luego, un corto pulso de láser excita cada uno de los iones el cual posteriormente les lleva a emitir fotones cuyo color es una superposición de rojo y azul – vinculada con los dos estados cuánticos disponibles.

¿La pastilla azul o la roja?

Una vez generados, estos fotones son entonces dirigidos hacia un divisor de rayos donde tiene la misma probabilidad de pasar a través del mismo o de ser reflejados. Hay un detector en el otro lado del divisor. De acuerdo con los investigadores, una combinación de rojo y azul detectada exactamente en el mismo momento es un claro signo de que los átomos de iterbio están entrelazados. Cuando esto ocurre los investigadores inmediatamente vuelven a los iones donde determinan los estados cuánticos usando un proceso conocido como tomografía cuántica.

“Un aspecto particularmente atractivo de nuestro método es que combina ventajas únicas tanto de fotones como de átomos”, dijo Munroe. “Los fotones son ideales para transferir información rápidamente a través de largas distancias, mientras que los átomos ofrecen un valioso método para la memoria cuántica de vida larga”.

Boris Blinov de la Universidad de Washington dijo a physicsworld.com, “Olmshenk y sus colegas han generado un entrelazamiento y lo han usado para teletransportar datos cuánticos en lo que considero el candidato más prometedor hasta el momento a ‘qubit’ [bit cuántico] – ele sistema de iones atrapados”. Y añade que, “estamos un paso más cerca de nuestro esquivo objetivo”.

El siguiente paso en esta investigación es mejorar aún más el índice de éxito de las medidas. “Estamos tratando de poner una cavidad óptica alrededor de cada átomo – el cual podría dar órdenes de magnitud de mejora en el índice de éxito del sistema”, dijo Steven Olmschenk, miembro del equipo de investigación.