Un gran avance en la comunicación cuántica.
Un equipo científico han creado la primera red primaria cuántica
basada en un internaz entre átomos y fotones. El grupo del MPQ (Instituto Max Planck de Óptica Cuántica) realiza la primera red primaria cuántica
basada en interfaces entre átomos y fotones.
Nuestra comunicación diaria se basa en sofisticadas redes,
con datos que se transfieren a la velocidad de la luz entre diferentes nodos. Una red de comunicación cuántica, es un reto enorme y
complejo construir . Estas redes cuánticas que difieren profundamente de redes
convencionales, aparte de darnos una idea sobre las cuestiones fundamentales de
la física, también podrían tener
aplicaciones en comunicaciones seguras, y ser utilizadas para la
computación distribuida cuántica.
Un requisito previo para hacer
funcionales las redes cuánticas funcionen, es crear nodos fijos que permitan el
intercambio de información cuántica en ambas direcciones.
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| Copyright: Andreas Neuzner, MPQ |
Un gran avance en este campo ha sido logrado por los
científicos en el grupo del profesor Gerhard Rempe, director del Instituto Max
Planck de Óptica Cuántica y el jefe de la división de Dinámica Cuántica: Los
físicos han puesto en marcha la primera red, cuantica elemental. Se trata de
un nodo compuesto de dos átomos individuales que se comunican a través del intercambio coherente de fotones
individuales.
"Este método de redes cuánticas es particularmente prometedor, ya que proporciona una perspectiva clara para una escalabilidad,"
La información cuántica es extremadamente frágil y no puede
ser clonada. Con el fin de evitar la alteración o incluso la pérdida de la
información, es necesario tener un perfecto control de todos los componentes de
la red cuántica. El más pequeño, la memoria estática de la información cuántica
es un solo átomo y, los fotones
individuales representan los mensajeros perfectos. La transferencia de
información eficiente entre un átomo y un fotón, sin embargo, requiere una
fuerte interacción entre los dos, que no puede lograrse con los átomos en un espacio libre. Tras una propuesta del profesor Ignacio Cirac (director del
MPQ y jefe de la división de la teoría y físico español reconocido
por sus investigaciones en computación cuántica y óptica cuántica),
el grupo del profesor Rempe, ha invertido muchos años trabajando en sistemas de óptica
cuántica., concretamente en las cavidades ópticas. Estas cavidades están
compuestas por dos espejos altamente reflectantes colocados a una distancia muy
corta. La emisión de fotones de un átomo dentro de una cavidad se dirige y
por lo tanto pueden ser enviados a otros nodos de la red de una manera
controlada. Un fotón al entrar en la cavidad se refleja entre los espejos
varios miles de veces. De esta manera, la interacción átomo-fotón está
fuertemente mejorado, y como consecuencia de ello, el átomo puede absorber al
fotón de manera coherente y con una alta eficiencia.
El experimento en las
cavidades dio como resultado que el átomo
estuviera permanentemente atrapado en la cavidad. Esto se logró a través
de rayos láser, es decir, provocando la
menor perturbación posible del átomo. En el siguiente paso, los físicos
lograron la emisión controlada de fotones individuales a partir del átomo
atrapado. Por último, se podría demostrar que el sistema de un solo átomo
de cavidades representa una interfaz perfecta para el almacenamiento de la
información codificada en un solo fotón, y fueron capaces de transferirlo a un segundo
fotón después de un tiempo de almacenamiento seguro. El presente trabajo
es otro hito en el camino hacia una red a gran escala cuántica. Por
primera vez, dos sistemas han sido conectados, y la información cuántica se
intercambió entre ellos con una alta eficacia y fidelidad.
Los dos sistemas, cada uno representa un nodo de la red, se
instalan en dos laboratorios separados por 21 metros y están
conectados a través de 60 metros de fibra óptica.
Las redes cuánticas tienen propiedades peculiares que no se
encuentran en las convencionales. Esto es debido al comportamiento
fundamentalmente diferente de la información intercambiada: mientras que un bit
clásico representa 1 ó 0, un bit cuántico puede tomar dos valores al mismo
tiempo, un fenómeno llamado "superposición coherente."
Una medida sin embargo proyecta el bit cuántico en uno de
los dos valores. En el átomo único, la información cuántica está
codificada en una superposición coherente de dos niveles de energía. Cuando
el átomo en el nodo A emite un fotón, estimulado por un pulso de luz de un
láser de control, su estado cuántico se proyecta sobre el estado de
polarización de los fotones. A través de la fibra óptica del fotón alcanza
el nodo B donde se absorbe coherentemente. Durante este proceso, el estado
cuántico originalmente preparado en el átomo A se transfiere sobre el átomo de
nodo en B. Como resultado, A es capaz de recibir el fotón próximo, mientras que
B está listo para enviar la información almacenada de vuelta a A o de cualquier
otro nodo.
Es esta característica simétrica y reversible lo
que hace que sea viable el procedimiento, disponible para configuraciones
de red arbitrarias, las cuales que constan de muchos nodos de átomos.. El
estado atómico cuántico es leídos
mediante la asignación de nuevo a la polarización de los fotones individuales
que pueden ser fácilmente medidos.
"Hemos sido capaces de demostrar que los estados cuánticos pueden ser transferidos mucho mejor que con cualquier red clásica. De hecho, se demuestra la viabilidad del enfoque teórico desarrollado por el profesor Cirac," explicaba el Dr. Stephan Ritter, líder del experimento .
En otro orden, los científicos lograron generar
"entrelazamiento cuántico" entre los dos nodos. El entrelazamiento es una
característica exclusiva de los objetos cuánticos. Los conecta de tal
manera que sus propiedades están fuertemente correlacionadas en una manera no
trivial, no importa lo lejos que están separados en el espacio. Este
fenómeno, pronosticado casi un centenar de años atrás, fue llamado por Albert
Einstein "acción fantasmal a
distancia". A fin de lograr entrelazamiento entre los dos nodos de la
red, la polarización del fotón emitido por un solo átomo A está ahora entrelazado
con el estado cuántico atómicoUna vez que el fotón es absorbido, este
enredo se transfiere a un átomo B. De hecho, esta es
la primera vez que el entrelazamientose ha creado entre partículas
masivas, separados por una distancia tan grande, lo que lo convierte el sistema
cuántico con partículas masivas más grande del mundo..
"Hemos realizado el primer prototipo de una red cuántica", Stephan Ritter concluye. "Logramos el intercambio reversible de información cuántica entre los nodos. Por otra parte, podemos generar entrelazamiento a distancia entre los dos nodos y mantenerlo durante unos 100 microsegundos, mientras que la generación del entrelazamietno sólo dura alrededor de un microsegundo. El entrelazamiento de dos sistemas separados por una gran distancia es un fenómeno fascinante en sí mismo. Sin embargo, también podría servir como un recurso para la teletransportación de información cuántica. Un día, esto no sólo podría hacer posible la comunicación de la información cuántica a través de distancias muy grandes, también podría permitir un Interner completamente cuántico "_________________________________________________________________________________
Fuente:
1.Stephan Ritter, Christian Nölleke, Carolin Hahn, Andreas Reiserer, Andreas Neuzner, Manuel Uphoff, Martin Mücke, Eden Figueroa, Joerg Bochmann, Gerhard Rempe. An elementary quantum network of single atoms in optical cavities. Nature, 2012; 484 (7393): 195 DOI:10.1038/nature11023
2.Max Planck Institute of Quantum Optics (2012, April 11). Breakthrough in quantum communication. ScienceDaily. Retrieved April 12, 2012, from http://www.sciencedaily.com/releases/2012/04/120411161604.htm
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