Controlan la forma de los fotones y abren la vía para una 'Internet cuántica'

De la misma manera que ahora conectamos los ordenadores en redes a través de señales ópticas, también podría ser posible conectar futuros ordenadores cuánticos en una Internet cuántica. Las señales ópticas consistirían entonces en partículas de luz o fotones individuales.

Un requisito previo para una Internet cuántica que funcione es el control de la forma de estos fotones. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU/e) y la fundación FOM (de Investigación Fundamental sobre la Materia), ambas de Países Bajos, han logrado por primera vez conseguir este control en el plazo corto requerido. Sus hallazgos se han publicado en Nature Communications.

Los ordenadores cuánticos son las computadoras soñadas del futuro. Utilizan la física extraordinaria de las partículas más pequeñas -la descrita por la mecánica cuántica- para realizar cálculos. Mientras que las computadoras de hoy en día utilizan bits que pueden ser 0 o 1, los ordenadores cuánticos realizan cálculos con los qubits, que pueden ser 0 y 1 al mismo tiempo. Eso crea un grado sin precedentes de potencia de cálculo adicional, que da a los ordenadores cuánticos capacidades mucho mayores que las de las computadoras actuales.

Las computadoras cuánticas podrían comunicarse en principio entre sí mediante el intercambio de fotones individuales para crear una Internet cuántica. La forma de los fotones, es decir, cómo se distribuye su energía a través del tiempo, es vital para la transmisión exitosa de la información. Esta forma debe ser simétrica en el tiempo, mientras que los fotones que son emitidos por los átomos normalmente tienen una forma asimétrica. Por lo tanto, para que la Internet funcione hace falta control

Cavidad óptica

Los investigadores de la TU/e y de FOM han conseguido el grado requerido de control mediante la incorporación de un punto cuántico -una pieza de material semiconductor que puede transmitir fotones- a un cristal fotónico, creando así una cavidad óptica. A continuación, los investigadores aplicaron un impulso eléctrico muy corto a la cavidad, que influye en cómo interactúa el punto cuántico, y en cómo se emite el fotón. Mediante la variación de la fuerza de este pulso, fueron capaces de controlar la forma de los fotones transmitidos.

Los investigadores de Eindhoven son los primeros en conseguirlo, gracias a la utilización de pulsos eléctricos más cortos que el nanosegundo, una milmillonésima parte de un segundo. Esto es vital para su uso en la comunicación cuántica, como explica el líder de la investigación Andrea Fiore, de TU / e, en la nota de prensa de la universidad: "La emisión de un fotón sólo dura un nanosegundo, así que si quieres cambiar algo hay que hacerlo dentro de ese tiempo. Es como el tiempo del obturador de una cámara de alta velocidad, que tiene que ser muy corto si se desea capturar en una imagen algo que cambia muy rápido".

"Mediante el control de la velocidad a la que se envía un fotón", añade, "se puede lograr en principio un intercambio muy eficiente de fotones, lo cual es importante para el futuro de Internet cuántica".

Otra investigación

Una investigación de la Universidad de Innsbruck (Austria), publicada el año pasado, consiguió transferir directamente a una partícula de luz la información cuántica almacenada en un átomo confinado en una trampa de iones. Tal información podría ser enviada a través de fibra óptica a un átomo distante.

Un grupo de físicos confinó un ión de calcio en una trampa de iones y lo colocaron entre dos espejos altamente reflectantes. "Utilizamos un láser para escribir la información cuántica deseada sobre los estados electrónicos del átomo", explicaba Andreas Stute, del Instituto de Física Experimental. "Entonces, excitábamos el átomo con un segundo láser, y como resultado, se emitía un fotón".

La información cuántica del átomo se traduce en el estado de polarización del fotón, que se almacena entre los espejos hasta que finalmente atraviesa un espejo, que es menos reflectante que el otro. "Los dos espejos dirigen el fotón en una dirección específica, orientándolo en la práctica hacia una fibra óptica", explicaba Bernardo Casabone, compañero de Stute.

La información cuántica almacenada en el fotón, por tanto, podría ser transmitida mediante la fibra óptica hasta un ordenador cuántico distante, donde la misma técnica se podría aplicar a la inversa.

Referencia bibliográfica:

Francesco Pagliano et al.: Dynamically controlling the emission of single excitons in photonic crystal cavities. Nature Communications (2014). DOI: 10.1038/ncomms6786