Primera comunicación cuántica a tres bandas

En el mundo de la ciencia cuántica, Alice y Bob (nombres usados para identificar más fácilmente a dos partículas A y B) han estado hablando el uno con el otro durante años. Charlie (C) se unió a la conversación hace unos años, pero hasta ahora los científicos no habían comprobado que la comunicación entre los tres, en separaciones de tipo espacial, tiene lugar más rápido que la velocidad de la luz.

Por primera vez, físicos del Instituto de Computación Cuántica (IQC) de la Universidad de Waterloo (Canadá) han mostrado una distribución de tres fotones entrelazados en tres lugares diferentes (Alice, Bob y Charlie) a varios cientos de metros de distancia, lo que demuestra la no localidad cuántica para más de dos fotones entrelazados. Los resultados del experimento se publicaron ayer en Nature Photonics.

Descrito una vez por Einstein como "acción fantasmal a distancia", este entrelazamiento de tres fotones conduce a interesantes posibilidades para la comunicación cuántica a varias bandas.

La no localidad describe la capacidad de las partículas para saber instantáneamente el estado de la(s) otra(s), incluso cuando están separadas por grandes distancias. En el mundo cuántico, esto significa que sería posible transferir información de forma instantánea - más rápido que la velocidad de la luz. Esto contraviene lo que Einstein llamó el "principio de acción local", la regla que dice que objetos distantes no pueden tener una influencia directa unos sobre otros, y que un objeto está directamente influenciado sólo por su entorno inmediato.

Para probar realmente que las variables locales ocultas no son responsables de la correlación entre los tres fotones, los científicos necesitaban que el experimento cerrara lo que se conoce como la laguna de localidad (problemas en el diseño del experimento que afectaran a los resultados). La separación de los fotones entrelazados la consiguieron de manera que no era posible que una señal coordinara el comportamiento de los fotones.

"Las correlaciones medidas en los sistemas cuánticos pueden decirnos mucho sobre la naturaleza en su nivel más fundamental", explica en la nota de prensa de la universidad el profesor Kevin Resch, co-autor del artículo. "El entrelazamiento de tres partículas es más complejo que el de pares. Podemos aprovechar el comportamiento complejo para descartar ciertas descripciones de la naturaleza, o como una fuente de nuevas tecnologías cuánticas".

El experimento

El equipo del proyecto estudió las correlaciones de tres fotones en un estado Greenberger - Horne - Zeilinger, un tipo de estado cuántico entrelazado en el que participan al menos tres partículas.

En primer lugar, los tríos de fotones se generaron en el laboratorio de Resch, la Alicia del experimento. Luego, el primer fotón fue retrasado en una fibra óptica de 580 metros en el laboratorio, mientras que los otros dos fotones viajaron a lo largo de 85 metros de fibra óptica a la azotea, donde fueron enviados a través de dos telescopios. Ambos fueron enviados a dos remolques, Bob y Charlie, a unos 700 metros de distancia de la fuente y el uno del otro.

Para mantener la separación de tipo espacial en el experimento, una cuarta parte, Randy, que se encontraba en un tercer remolque, seleccionó al azar las mediciones que Alice iba a llevar a cabo en sus fotones en el laboratorio.

Cada remolque contenía detectores, dispositivos de marcación de tiempo, y generadores de números aleatorios cuánticos. Para garantizar que la laguna de localidad estuviera cerrada, los generadores de números aleatorios determinaron cómo iba a ser medido el fotón de cada remolque de forma independiente. Los dispositivos de marcado de tiempo también aseguraron que las mediciones tuvieran lugar en una ventana de tiempo muy pequeña (tres nanosegundos), lo que significa que no pudo transmitirse información de un lugar a otro durante el período de medición, una condición fundamental para demostrar la no-localidad del entrelazamiento.

"La idea de entrelazar tres fotones ha existido durante mucho tiempo", explica el profesor Thomas Jennewein, co- autor del artículo. "Hizo falta que las personas adecuadas con los conocimientos adecuados se reunieran para hacer el experimento en el poco tiempo en que se hizo. Teníamos la combinación correcta en el momento adecuado".

Posibles aplicaciones

El experimento mostró una distribución de tres partículas entrelazadas, lo que en un momento dado se puede utilizar para comunicaciones más complejas que las hasta ahora existentes, a dos bandas. Se abre la posibilidad de protocolos de comunicación cuántica multipartitos, incluyendo distribución cuántica de claves (QKD/DCC), criptografía de tercer hombre y compartición de secretos cuántica.

"El resultado interesante es que ahora tenemos la capacidad de hacer algo más que comunicaciónes cuántica en pares", explica el autor principal del estudio Chris Erven, un ex estudiante de doctorado en Waterloo que ahora es asistente de investigación en la Universidad de Bristol (Reino Unido).

Referencia bibliográfica:

C. Erven, E. Meyer-Scott, K. Fisher, J. Lavoie, B. L. Higgins, Z. Yan, C. J. Pugh, J.-P. Bourgoin, R. Prevedel, L. K. Shalm, L. Richards, N. Gigov, R. Laflamme, G. Weihs, T. Jennewein, K. J. Resch. Experimental three-photon quantum nonlocality under strict locality conditions. Nature Photonics (2014). DOI: 10.1038/nphoton.2014.50.