La 1ª red cuántica multinodo del mundo es un gran avance para internet cuántico


El paso a un sistema de tres nodos es un salto cuántico en el diseño de red.
Los investigadores establecieron la red utilizando un complejo sistema de láseres. (Crédito de la imagen: Marieke de Lorijn/QuTech)

Los científicos se han acercado un paso más a un internet cuántico mediante la creación de la primera red cuántica multinodo del mundo.

Investigadores del centro de investigación QuTech en los Países Bajos crearon el sistema, que se compone de tres nodos cuánticos enredados por las espeluznantes leyes de la mecánica cuántica que rigen las partículas subatómicas. Es la primera vez que más de dos bits cuánticos, o "qubits", que hacen los cálculos en computación cuántica se han vinculado juntos como "nodos", o puntos finales de red.

Los investigadores esperan que las primeras redes cuánticas desbloqueen una gran cantidad de aplicaciones informáticas que no pueden ser realizadas por dispositivos clásicos existentes, como un cálculo más rápido y una criptografía mejorada.

"Nos permitirá conectar computadoras cuánticas para obtener más potencia informática, crear redes intachables y conectar relojes y telescopios atómicos junto con niveles de coordinación sin precedentes", dijo  Matteo Pompili, miembro del equipo de investigación de QuTech que creó la red en la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. "También hay un montón de aplicaciones que realmente no podemos prever. Uno podría ser crear un algoritmo que llevará a cabo elecciones de una manera segura, por ejemplo".

De la misma manera que el bit de computadora tradicional es la unidad básica de información digital, el qubit es la unidad básica de información cuántica. Al igual que el bit, el qubit puede ser un 1 o un 0, que representan dos posiciones posibles en un sistema de dos estados.

Pero eso es casi donde terminan las similitudes. Gracias a las extrañas leyes del mundo cuántico, el qubit puede existir en una superposición de los 1 y 0 estados hasta el momento en que se mide, cuando colapsará aleatoriamente en un 1 o un 0. Este extraño comportamiento es la clave para el poder de la computación cuántica, ya que permite que un qubit realice múltiples cálculos simultáneamente.

El mayor desafío para vincular esos qubits a una red cuántica es establecer y mantener un proceso llamado enredo, o lo que Albert Einstein llamó "acción espeluznante a distancia". Esto es cuando dos qubits se acoplan, vinculando sus propiedades para que cualquier cambio en una partícula cause un cambio en la otra, incluso si están separadas por grandes distancias.

Puede enredar los nodos cuánticos de muchas maneras, pero un método común funciona primero enredando los qubits estacionarios (que forman los nodos de la red) con fotones, o partículas de luz, antes de dispararse los fotones entre sí. Cuando se encuentran, los dos fotones también se enredan, enredando así los qubits. Esto enlaza los dos nodos estacionarios separados por una distancia. Cualquier cambio realizado a uno se refleja en un cambio instantáneo al otro.

"Acción espeluznante a distancia" permite a los científicos cambiar el estado de una partícula alterando el estado de su compañero distante enredado, teletransportando efectivamente información a través de grandes brechas. Pero mantener un estado de enredo es una tarea difícil, especialmente porque el sistema enredado siempre está en riesgo de interactuar con el mundo exterior y ser destruido por un proceso llamado decoherencia.

Esto significa, en primer lugar, que los nodos cuánticos tienen que mantenerse a temperaturas extremadamente frías dentro de dispositivos llamados criostatos para minimizar las posibilidades de que los qubits interfieran con algo fuera del sistema. En segundo lugar, los fotones utilizados en el enredo no pueden viajar distancias muy largas antes de que sean absorbidos o dispersos, destruyendo la señal que se envía entre dos nodos.

"El problema es que, a diferencia de las redes clásicas, no se pueden amplificar las señales cuánticas. Si intentas copiar el qubit, destruyes la copia original", dijo Pompili, refiriéndose al "teorema sin clonación" de la física, que afirma que es imposible crear una copia idéntica de un estado cuántico desconocido. "Esto realmente limita las distancias que podemos enviar señales cuánticas a las decenas de cientos de kilómetros. Si quieres establecer la comunicación cuántica con alguien del otro lado del mundo, necesitarás nodos de relé en el medio".

Para resolver el problema, el equipo creó una red con tres nodos, en la que los fotones esencialmente "pasan" el enredo de un qubit en uno de los nodos externos a uno en el nodo central. El nodo central tiene dos qubits: uno para adquirir un estado enredado y otro para almacenarlo. Una vez almacenado el enredo entre un nodo externo y el nodo central, el nodo central enreda el otro nodo externo con su qubit de repuesto. Con todo esto hecho, el nodo medio enreda sus dos qubits, haciendo que los qubits de los nodos externos se enreden.

Pero diseñar este extraño giro mecánico cuántico en el clásico "rompecabezas de cruce de ríos" fue el menor de los problemas de los investigadores, una idea extraña, sin duda, pero no demasiado complicada. Para hacer los fotones enredados y transportarlos a los nodos de la manera correcta, los investigadores tuvieron que utilizar un complejo sistema de espejos y luz láser. La parte realmente difícil fue el desafío tecnológico de reducir el ruido molesto en el sistema, así como asegurarse de que todos los láseres utilizados para producir los fotones estuvieran perfectamente sincronizados.

"Estamos hablando de tener de tres a cuatro láseres por cada nodo, así que empiezas a tener 10 láseres y tres criostatos que todos necesitan trabajar al mismo tiempo, junto con toda la electrónica y la sincronización", dijo Pompili.

El sistema de tres nodos es particularmente útil, ya que el qubit de memoria permite a los investigadores establecer el enredo a través del nodo de red por nodo, en lugar del requisito más exigente de hacerlo todo a la vez. Tan pronto como esto se hace, la información se puede transportar a través de la red.

Algunos de los próximos pasos de los investigadores con su nueva red serán intentar que esta información se transmita, junto con la mejora de los componentes esenciales de las capacidades informáticas de la red para que puedan funcionar como lo hacen las redes informáticas regulares. Todas estas cosas establecerán la escala a la que podría llegar la nueva red cuántica.

También quieren ver si su sistema les permitirá establecer un enredo entre Delft y La Haya, dos ciudades holandesas de aproximadamente 6 millas (10 kilómetros) de distancia.

"En este momento, todos nuestros nodos están dentro de 10 a 20 metros [32 a 66 pies] el uno del otro", dijo Pompili. "Si quieres algo útil, tienes que ir a kilómetros. Esta va a ser la primera vez que vamos a hacer un vínculo entre largas distancias".

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