Consiguen la teleportación cuántica a través de un cable de fibra óptica que ya soportaba comunicaciones convencionales

La teleportación cuántica, a diferencia de la ciencia ficción, no sirve para teletransportar objetos de un lugar a otro, sino que implica la transferencia del estado cuántico de una partícula (como un fotón) a otra, que puede estar a gran distancia. El proceso se basa en el llamado 'entrelazamiento cuántico', un fenómeno en el que dos partículas se vinculan de tal manera que cualquier modificación que sufra una de ellas repercute instantáneamente en la otra, con independencia de la distancia que las separe.

«El teletransporte cuántico -explica Carlos Sabín, investigador Ramón y Cajal en el departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid-, permite el envío de la información cuántica contenida en un bit cuántico (cúbit) sin necesidad de enviar físicamente el cúbit. Por ello, sería un elemento clave en una futura red cuántica de información y comunicaciones. El teletransporte puede hacerse con los mismos fotones que circulan por nuestras redes de datos convencionales, por lo que sería deseable poder usar las ya existentes, sin necesidad de nuevas infraestructuras de telecomunicaciones. Sin embargo, un tráfico muy grande de datos convencionales puede afectar a los estados cuánticos, más frágiles y sutiles».

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En otras palabras, conseguir que las futuras comunicaciones cuánticas puedan aprovechar las redes ópticas ya existentes (y coexistan, por tanto, con las señales clásicas) significaría que ya no sería necesario construir nuevas y costosísimas infraestructuras. Pero el objetivo no es sencillo. El desafío principal para lograr esa coexistencia de señales cuánticas y clásicas radica en el ruido generado por la llamada 'dispersión Raman espontánea' (SpRS, por sus siglas en inglés) de la luz clásica de alta potencia. Un 'ruido' que puede interferir con las débiles señales cuánticas.

Según el estudio, los investigadores lograron superar este obstáculo mediante una combinación de técnicas innovadoras. «Para proteger la fidelidad cuántica del ruido de la dispersión Raman espontánea -escriben los autores-, utilizamos canales cuánticos óptimos en la banda O, filtrado espectro-temporal estrecho y detección de coincidencia de múltiples fotones».

La exitosa teleportación cuántica se realizó a través de 30,2 kilómetros de fibra óptica que transportaba simultáneamente tráfico clásico de banda C a una velocidad de 400 Gbps. Los investigadores creen que el sistema sería capaz de soportar múltiples canales clásicos que sumen velocidades de datos de muchos terabits por segundo.

De este modo, el trabajo demuestra que es posible conseguir que las comunicaciones de banda C de alta potencia no tengan un impacto significativo en la teleportación cuántica. «Estos resultados -concluyen los investigadores- muestran la viabilidad de aplicaciones avanzadas de redes cuánticas y clásicas operando dentro de una infraestructura de fibra unificada».

El experimento se suma a una serie de avances recientes en el campo de la teleportación cuántica. Ya en 2017, un equipo chino logró la teleportación de fotones a más de 1.200 kilómetros utilizando un satélite. Más tarde, en 2020, se consiguió la teleportación de información cuántica entre los chips de una computadora, y en 2021 se demostró la teleportación de cúbits completos (bit cuánticos) con una alta fidelidad. Por último, hace menos de un año investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas, en Castelldefels ya demostraron la transmisión del entrelazamiento entre materia y luz a lo largo de decenas de kilómetros de fibra óptica en Barcelona.

La capacidad de realizar la teleportación cuántica en las mismas fibras ópticas que ya se utilizan para las comunicaciones convencionales es fundamental para la implementación a gran escala de futuras redes cuánticas. El coste de instalar nuevas fibras dedicadas exclusivamente a la comunicación cuántica, en efecto, sería prohibitivo. El trabajo, por lo tanto, acerca la posibilidad de tener repetidores cuánticos que extiendan el alcance de las comunicaciones cuánticas, de construir redes cuánticas de computación que permitan a múltiples computadoras unirse para resolver problemas complejos y, por supuesto, permitirá extender la criptografía cuántica, un sistema de seguridad inviolable para las comunicaciones.

A pesar de ello, y aunque el paso es importante, quedan aún obstáculos por superar. En el experimento de Thomas y sus colegas, en efecto, «la transmisión cuántica no fue perfecta -explica Sabín-, ya que hubo una diferencia de aproximadamente un 10 % entre la información emitida y la recibida. Sin embargo, esa diferencia es muy parecida a la de un teletransporte en el que no se usa una red de 30 km con tráfico. Por tanto, los investigadores han demostrado que, en principio, una futura red cuántica de comunicaciones podría emplear la misma infraestructura básica de fibra ya existente, ya que su uso no parece incrementar los errores de forma significativa.

Por otro lado, ese 10% de error que todavía aparece en experimentos básicos de teletransporte muestra que todavía estamos en una fase muy preliminar de lo que podría ser una red de comunicaciones cuánticas en el futuro«.