El ‘internet cuántico’ está más cerca con el avance de la teletransportación de datos

La tecnología aprovechará los misteriosos poderes de la mecánica cuántica para realizar en minutos tareas que las supercomputadoras no podrían completar ni en miles de años. En el otoño de 2019, Google reveló una computadora cuántica experimental que demostró que esto era posible. Dos años después, un laboratorio en China hizo prácticamente lo mismo.

Sin embargo, la computación cuántica no alcanzará todo su potencial sin ayuda de otro avance tecnológico. Llamémoslo “internet cuántico”: una red de computadoras que puede enviar información cuántica entre máquinas lejanas.

En la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, un equipo de físicos ha dado un paso significativo hacia la creación de esta red de computadoras del futuro, por medio de una técnica llamada teletransportación cuántica que envía datos a lo largo de tres ubicaciones físicas. Antes, esto solo era posible entre dos sitios.

El nuevo experimento demuestra que los científicos pueden elongar una red cuántica a lo largo de un número cada vez mayor de sitios. “En este momento estamos construyendo redes cuánticas pequeñas en el laboratorio”, comentó Ronald Hanson, el físico de Delft que supervisa al equipo. “Pero, a la larga, la idea es construir un internet cuántico”.

Su investigación, que se dio a conocer esta semana en un artículo publicado en la revista científica Nature, demuestra el poder de un fenómeno que Albert Einstein alguna vez consideró imposible. La teletransportación cuántica —a la que él se refería como un “acto espeluznante a distancia”— puede transferir información entre ubicaciones sin necesidad de mover la materia física que la contiene.

Esta tecnología podría cambiar de forma radical la manera en que los datos viajan de un lugar a otro. Se basa en más de un siglo de investigaciones sobre mecánica cuántica, un campo de la física que rige el reino subatómico y cuyo comportamiento no se parece a nada de lo que percibimos en nuestra vida cotidiana. La teletransportación cuántica no solo traslada datos entre computadoras cuánticas, sino que también los mueve de tal manera que nadie puede interceptarlos.

“Esto significa que la computadora cuántica no solo puede resolver tu problema, sino también que no sabe cuál es el problema”, explicó Tracy Eleanor Northup, investigadora del Instituto de Física Experimental en la Universidad de Innsbruck, quien también explora la teletransportación cuántica. “Así no funcionan las cosas en la actualidad. Google sabe qué haces en sus servidores”.

Una computadora cuántica aprovecha las maneras extrañas en que se comportan algunos objetos si son muy pequeños (como un electrón o una partícula de luz) o muy fríos (como un metal exótico enfriado a una temperatura cercana al cero absoluto, o de menos 273 grados Celsius). En estas situaciones, un solo objeto puede comportarse como dos objetos distintos al mismo tiempo.

Las computadoras tradicionales realizan cálculos mediante el procesamiento de “bits” de información, cada bit contiene un 1 o un 0. Al aprovechar la conducta extraña de la mecánica cuántica, un bit cuántico, o cúbit, puede almacenar una combinación de 1 y 0, algo parecido a cuando una moneda está girando y contiene la atractiva posibilidad de caer en cara o cruz al detenerse.

Esto significa que dos cúbits pueden contener cuatro valores a la vez, tres cúbits pueden contener ocho, cuatro pueden contener dieciséis y así sucesivamente. A medida que aumenta la cantidad de cúbits, una computadora cuántica se vuelve exponencialmente más poderosa.

Los investigadores creen que algún día estos dispositivos podrían acelerar la creación de nuevos medicamentos, impulsar los avances en inteligencia artificial y, de modo sumario, descifrar la codificación que protege a las computadoras vitales para la seguridad nacional. Gobiernos, laboratorios académicos, empresas emergentes y gigantes tecnológicos de todo el mundo están invirtiendo miles de millones de dólares en explorar esta tecnología.

En 2019, Google anunció que su máquina había alcanzado lo que los científicos llaman la “supremacía cuántica”, es decir que podía realizar una tarea experimental que era imposible para las computadoras tradicionales. Pero la mayoría de los expertos cree que aún faltan varios años más —como mínimo— para que una computadora cuántica pueda hacer algo de verdad útil que no puedas hacer con otra máquina.

Parte del desafío es que un cúbit se rompe, o “pierde coherencia”, si se lee la información que contiene: se convierte en un bit ordinario que solo es capaz de almacenar un 0 o un 1, mas no ambos. Sin embargo, al enlazar muchos cúbits y desarrollar maneras para evitar la decoherencia, los científicos esperan construir máquinas que sean tanto poderosas como prácticas.

A fin de cuentas, el ideal es que estos se unifiquen en redes que puedan enviar información entre nodos, a fin de que puedan utilizarse desde cualquier parte, así como los servicios de computación en la nube de empresas como Google y Amazon ofrecen acceso generalizado a la potencia de procesamiento hoy en día.

No obstante, esto conlleva sus propios problemas. En parte debido a la decoherencia, la información cuántica no puede solo copiarse y enviarse por una red tradicional. La teletransportación cuántica brinda una alternativa.

Aunque no puede mover objetos de un lugar a otro, puede trasladar información con base en una propiedad cuántica llamada “entrelazamiento”: un cambio en el estado de un sistema cuántico afecta al instante el estado de otro lejano.

“Después del entrelazamiento, ya no puedes describir estos estados de manera individual”, comentó Northup. “En esencia, ahora es un solo sistema”.

Estos sistemas entrelazados podrían ser electrones, partículas de luz u otros objetos. En los Países Bajos, Hanson y su equipo usaron lo que se conoce como un centro de vacantes de nitrógeno: un espacio vacío muy pequeño en un diamante sintético en el que se pueden atrapar electrones.

El equipo construyó tres de estos sistemas cuánticos, llamados Alice, Bob y Charlie, y los conectó en una línea con hilos de fibra óptica. Luego, los científicos lograron entrelazar estos sistemas enviando fotones individuales —partículas de luz— entre ellos.

En primer lugar, los investigadores entrelazaron dos electrones (uno pertenecía a Alice, el otro a Bob). Se les dio el mismo giro a ambos electrones y así quedaron unidos, o entrelazados, en un estado cuántico común, y cada uno almacenaba la misma información: una combinación particular de 1 y 0.

Entonces, los investigadores pudieron transferir este estado cuántico a otro cúbit, un núcleo de carbono, dentro del diamante sintético de Bob. Este proceso liberó el electrón de Bob y así los investigadores lograron entrelazarlo con otro electrón perteneciente a Charlie.

Al realizar una operación cuántica específica a los dos cúbits de Bob —el electrón y el núcleo de carbono— los investigadores fueron capaces de adherir los dos entrelazamientos: Alice más Bob adheridos a Bob más Charlie.

El resultado: Alice estaba entrelazada a Charlie, lo que permitía el teletransporte de datos a través de los tres nodos. En el nuevo experimento, los nodos de la red no se encontraban tan alejados, estaban a unos 18 metros de distancia. Pero experimentos previos han demostrado que los sistemas cuánticos pueden entrelazarse a través de distancias más largas.

La esperanza es que, dentro de varios años más de investigaciones, la teletransportación cuántica sea viable a lo largo de muchos kilómetros. “Ahora estamos intentando hacer esto fuera del laboratorio”, afirmó Hanson. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft con uno de los tres nodos en una red de computación cuántica, que usa espejos, filtros y láseres para guiar a electrones hacia un diamante sintético. (Marieke de Lorijn para QuTech vía The New York Times). Muestras de diamantes dentro de las computadoras cuánticas de la Universidad Tecnológica de Delft. (Matteo Pompili para QuTech vía The New York Times).