Un nuevo paso hacia el internet cuántico: prueban en Boston una red de 35 km, la más larga hasta la fecha

Pero estos inconvenientes puede ser cosa del pasado con el internet cuántico, que tendrá una velocidad nunca vista y una seguridad a prueba de hackers. De momento, se han dado pequeños pasos y se está empezando a implementar en algunos sistemas para hacerlos más seguros, sobre todo en comunicaciones financieras. Sin embargo, que las redes lleguen lejos está siendo todo un reto para los científicos.

Ahora, un equipo liderado por Mikhail Lukin, profesor del Departamento de Física de la Universidad Joshua y Beth Friedman, en colaboración con los profesores de Harvard Marko Lončar y Hongkun Park -todos miembros de la Iniciativa Cuántica de Harvard- acaban de llevar a cabo un hito que nos acerca un paso más hacia ese objetivo: han sido capaces de enviar un mensaje a través de un internet cuántico a 35 kilómetros de distancia, atravesando las ciudades de Cambridge, Somerville, Watertown y Boston. Los resultados, que baten el récord en una red cuántica de cable no enrollado en un entorno urbano (antes solo se había llegado hasta los 22 kilómetros), acaban de publicarse en la revista 'Nature'.

La tecnología cuántica se basa en los principios básicos que rigen la física cuántica, el mundo a nivel atómico en el que ocurren cosas tan extrañas como que dos partículas estén a la vez en dos sitios o que un par de estos átomos estén conectados incluso a miles de kilómetros de separación. Por estos mismos fundamentos, en computación cuántica, a diferencia de en computación clásica, donde los bits son 1 o 0, los cúbits (bits cuánticos) pueden ser 1 y 0 a la vez. Y eso es porque, aparte de poder estar de manera simultánea en dos sitios diferentes, también pueden moverse en dos direcciones opuestas al mismo tiempo, en lo que en el campo de la física cuántica se llama 'superposición'.

Todo esto provoca que la velocidad de transmisión de la información crezca exponencialmente. Además, por las características intrínsecas de los cúbits, es imposible hackear la información sin que el emisor se entere. Esto es por su capacidad para estar 'entrelazados', una característica cuántica que provoca que, si un cúbit cambia de estado, el de su pareja también. Y, al igual que cuando se molesta al gato de Schrödinger, ese felino vivo y muerto a la vez en una caja y cuyo destino acaba decantándose por una u otra opción cuando miramos dentro, cuando 'incordiamos' a los cúbits (y éstos son extremadamente sensibles), éstos cambian de forma irremediable, por lo que el otro cúbit entrelazado (el del emisor) sabe que ha habido un intento de intromisión.

El problema es que este tipos de redes son extremadamente sensibles (es muy fácil 'molestar al gato'), por lo que 'domarlas' aún es una asignatura pendiente. Pero se están dando pequeños pasos, como en este estudio, que demuestra que los autores han conseguido ampliar la distancia de 22 a 35 kilómetros en una red cuántica de cable no enrollado en un entorno urbano.

En este caso nos encontramos ante un sistema de dos nodos que pueden almacenar, procesar y mover información cuántica. De hecho, cada uno de ellos es una computadora cuántica muy pequeña, hecha de una astilla de diamante que tiene un defecto en su estructura atómica llamado 'centro nitrógeno-vacante'. Dentro del diamante, estructuras talladas de menos de una centésima parte del ancho de un cabello humano mejoran la interacción entre el centro nitrógeno-vacante y la luz.

El uso de centro nitrógeno-vacante como dispositivos de memoria cuántica para fotones individuales es un programa en Harvard que lleva investigándose años. La tecnología resuelve un problema importante en la teorizada Internet cuántica: la pérdida de señal que no se puede aumentar de manera tradicional. Una red cuántica no puede utilizar repetidores de señales de fibra óptica estándar porque es imposible copiar información cuántica arbitraria, lo que hace que la información sea segura, pero también muy difícil de transportar a largas distancias.

Los nodos de red basados en centro nitrógeno-vacante pueden capturar, almacenar y entrelazar cúbits mientras corrigen la pérdida de señal. Después de enfriar los nodos hasta cerca del cero absoluto, la luz se envía a través del primer nodo y, por la naturaleza de la estructura atómica del centro vacante de silicio, se entrelaza con él.

«Dado que la luz ya está entrelazada con el primer nodo, puede transferir este entrelazamiento al segundo nodo», explicó el primer autor Can Knaut, estudiante de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias Kenneth C. Griffin en el laboratorio de Lukin. «A esto lo llamamos entrelazamiento mediado por fotones».

«Primero se genera entrelazamiento cuántico entre el cúbit del primer pequeño ordenador y el fotón de transmisión. Cuando este llega a su destino en el segundo ordenador, se genera entrelazamiento cuántico entre el fotón y el nuevo cúbit. El resultado es que ahora las tres partes están entrelazadas y que una medida sobre el fotón dejará a los dos cúbits en un estado entrelazado. En teoría, todos estos entrelazamientos generados son perfectos y llevan a una situación final en la que los dos pequeños ordenadores cuánticos tienen entrelazamiento máximo», explica para el SMC Carlos Sabín, investigador Ramón y Cajal en el departamento de Física Teórica de Universidad Autónoma de Madrid (UAM).

«En la realidad, los estados cuánticos son muy frágiles y se degradan con el paso del tiempo, la más mínima temperatura (en este experimento, los cúbits están muy cerca del cero absoluto de temperaturas, a -273 ºC) o el viaje a través de la fibra, entre otros factores. El resultado es que los estados finales solo se parecen en un 70 % al estado con entrelazamiento máximo predicho por la teoría», valora al SMC Sabín.

En su opinión, se trata de «un pequeño paso muy preliminar» hacia las potenciales redes cuánticas de comunicaciones, las mismas que se prometen como toda una nueva revolución pero que, al menos de momento, aún están en ciernes.