El grupo de Tittel. Imagen: Riley Brandt. Fuente: Universidad de Calgary.
Mediante una colaboración con la ciudad de Calgary (Canadá) e investigadores de Estados Unidos, un grupo de físicos dirigidos por Wolfgang Tittel, profesor del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Calgary ha demostrado con éxito la teletransportación de un fotón (una partícula elemental de luz) sobre una distancia en línea recta de seis kilómetros utilizando la infraestructura de cable de fibra óptica de la ciudad de Calgary.
Este logro, que establece un nuevo récord de distancia de transferencia de un estado cuántico mediante teletransporte, ha permitido a los investigadores aparecer en la revista Nature Photonics. El hallazgo se ha publicado junto a un trabajo similar realizado por un grupo de investigadores chinos, en la ciudad de Hefei.
"Esta red permitirá una comunicación segura y sin tener que preocuparse por las escuchas, y permitirá que ordenadores cuánticos distantes se conecten", dice Tittel en la información de su universidad.
'Acción fantasmal a distancia'
El experimento se basa en la propiedad del entrelazamiento de la mecánica cuántica, también conocida como "acción fantasmal a distancia" -una propiedad tan misteriosa que ni siquiera Einstein pudo aceptarla.
"El entrelazamiento significa que los dos fotones que forman un par entrelazado tienen propiedades vinculadas con independencia de cuán separados estén", explica Tittel. "Cuando uno de los fotones fue enviado hacia el Ayuntamiento de la ciudad, permaneció entrelazado con el fotón que se mantuvo en la universidad, a 6,2 kilómetros de distancia."
A continuación, se generó un fotón en un tercer lugar de Calgary, que también viajó al Ayuntamiento. "Lo que pasó es que se transfirió el estado cuántico -no el cuerpo- de este tercer fotón al fotón que permaneció en la universidad", dice Tittel.
La investigación no habría sido posible sin el acceso a la tecnología adecuada. Una de las piezas fundamentales de la infraestructura que soporta las redes cuánticas es una fibra oscura -fibra óptica instalada para posibles usos futuros- accesible. La fibra oscura no interfiere con la tecnología cuántica.
La ciudad de Calgary está construyendo y aprovisionando fibra oscura para abastecer los servicios municipales de próxima generación. "Con la apertura de la infraestructura de fibra oscura de la ciudad para el sector privado y público, las empresas sin ánimo de lucro, y el mundo académico, ayudamos a permitir el desarrollo de proyectos como la encriptación cuántica y crear oportunidades para una mayor investigación, innovación y crecimiento económico en Calgary," dice Tyler Andruschak, gerente de proyectos de Innovación y Colaboración de la ciudad de Calgary.
"La universidad recibe un acceso seguro a una pequeña parte de nuestra infraestructura de fibra óptica y la ciudad podrá beneficiarse en el futuro aprovechando las claves de cifrado seguras generadas en la investigación del laboratorio para proteger nuestra infraestructura crítica", dice Andruschak. Con el fin de ofrecer servicios de próxima generación a los calgarianos, la ciudad ha ido aumentando su fibra óptica, que conecta todos los edificios y activos de la ciudad.
Obstáculos
Como si teletransportar un fotón no fuera lo suficientemente difícil, Tittel y su equipo encontraron varios obstáculos más en su camino.
Debido a cambios en la temperatura exterior, el tiempo de transmisión de los fotones desde su punto de creación hasta el Ayuntamiento varió en el transcurso de un día -el tiempo que llevó a los investigadores reunir datos suficientes para apoyar su trabajo. Este cambio hacía que los dos fotones no se encontraran en el Ayuntamiento.
"El reto era mantener el tiempo de llegada de los fotones sincronizado en un margen de 10 pico-segundos", dice Tittel. "Eso es una billonésima, o una millonésima de una millonésima parte de un segundo."
En segundo lugar, las piezas de su laboratorio tuvieron que ser trasladadas a dos puntos de la ciudad, algo que como Tittel explica fue particularmente difícil en el caso de la estación de medición del Ayuntamiento, que incluía detectores de fotones individuales superconductores, con tecnología de última generación, desarrollados por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.
"Dado que estos detectores sólo funcionan a temperaturas de menos de un grado por encima del cero absoluto el equipo también incluía un criostato compacto", dice Tittel.
Esta demostración abre el camino hacia la construcción de una Internet cuántica futura, el objetivo a largo plazo del grupo de Tittel.
Este logro, que establece un nuevo récord de distancia de transferencia de un estado cuántico mediante teletransporte, ha permitido a los investigadores aparecer en la revista Nature Photonics. El hallazgo se ha publicado junto a un trabajo similar realizado por un grupo de investigadores chinos, en la ciudad de Hefei.
"Esta red permitirá una comunicación segura y sin tener que preocuparse por las escuchas, y permitirá que ordenadores cuánticos distantes se conecten", dice Tittel en la información de su universidad.
'Acción fantasmal a distancia'
El experimento se basa en la propiedad del entrelazamiento de la mecánica cuántica, también conocida como "acción fantasmal a distancia" -una propiedad tan misteriosa que ni siquiera Einstein pudo aceptarla.
"El entrelazamiento significa que los dos fotones que forman un par entrelazado tienen propiedades vinculadas con independencia de cuán separados estén", explica Tittel. "Cuando uno de los fotones fue enviado hacia el Ayuntamiento de la ciudad, permaneció entrelazado con el fotón que se mantuvo en la universidad, a 6,2 kilómetros de distancia."
A continuación, se generó un fotón en un tercer lugar de Calgary, que también viajó al Ayuntamiento. "Lo que pasó es que se transfirió el estado cuántico -no el cuerpo- de este tercer fotón al fotón que permaneció en la universidad", dice Tittel.
La investigación no habría sido posible sin el acceso a la tecnología adecuada. Una de las piezas fundamentales de la infraestructura que soporta las redes cuánticas es una fibra oscura -fibra óptica instalada para posibles usos futuros- accesible. La fibra oscura no interfiere con la tecnología cuántica.
La ciudad de Calgary está construyendo y aprovisionando fibra oscura para abastecer los servicios municipales de próxima generación. "Con la apertura de la infraestructura de fibra oscura de la ciudad para el sector privado y público, las empresas sin ánimo de lucro, y el mundo académico, ayudamos a permitir el desarrollo de proyectos como la encriptación cuántica y crear oportunidades para una mayor investigación, innovación y crecimiento económico en Calgary," dice Tyler Andruschak, gerente de proyectos de Innovación y Colaboración de la ciudad de Calgary.
"La universidad recibe un acceso seguro a una pequeña parte de nuestra infraestructura de fibra óptica y la ciudad podrá beneficiarse en el futuro aprovechando las claves de cifrado seguras generadas en la investigación del laboratorio para proteger nuestra infraestructura crítica", dice Andruschak. Con el fin de ofrecer servicios de próxima generación a los calgarianos, la ciudad ha ido aumentando su fibra óptica, que conecta todos los edificios y activos de la ciudad.
Obstáculos
Como si teletransportar un fotón no fuera lo suficientemente difícil, Tittel y su equipo encontraron varios obstáculos más en su camino.
Debido a cambios en la temperatura exterior, el tiempo de transmisión de los fotones desde su punto de creación hasta el Ayuntamiento varió en el transcurso de un día -el tiempo que llevó a los investigadores reunir datos suficientes para apoyar su trabajo. Este cambio hacía que los dos fotones no se encontraran en el Ayuntamiento.
"El reto era mantener el tiempo de llegada de los fotones sincronizado en un margen de 10 pico-segundos", dice Tittel. "Eso es una billonésima, o una millonésima de una millonésima parte de un segundo."
En segundo lugar, las piezas de su laboratorio tuvieron que ser trasladadas a dos puntos de la ciudad, algo que como Tittel explica fue particularmente difícil en el caso de la estación de medición del Ayuntamiento, que incluía detectores de fotones individuales superconductores, con tecnología de última generación, desarrollados por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.
"Dado que estos detectores sólo funcionan a temperaturas de menos de un grado por encima del cero absoluto el equipo también incluía un criostato compacto", dice Tittel.
Esta demostración abre el camino hacia la construcción de una Internet cuántica futura, el objetivo a largo plazo del grupo de Tittel.
Microdisco de diamante que funciona como resonador óptico. Imagen: R. Brandt. Fuente: Universidad de Calgary.
China
Los investigadores Qiang Zhang y Jian-Wei Pan, junto con su equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, implementaron su prueba de campo en Hefei y utilizaron luz en la longitud de onda de las telecomunicaciones, tal como se utiliza en las redes actuales, informa Sinc.
El experimento de Calgary utilizó fotones en una longitud de onda de telecomunicaciones, 1.532 nanómetros, y también en una longitud de 795 nanómetros, lo que permitió que el experimento de teletransporte fuera más rápido que el del equipo chino, pero con una fidelidad reducida.
Resonador óptico
Otro equipo de la Universidad de Calgary, formado por Paul Barclay u otros físicos, ha creado un resonador óptico -o cavidad óptica- de tamaño nanométrico, hecho de un solo cristal de diamante, que es también un resonador mecánico, y que podría llevar a grandes avances en la informática, las telecomunicaciones y otros campos.
"Los dispositivos ópticomecánicos de diamante ofrecen una plataforma para estudiar el comportamiento cuántico de objetos microscópicos", dice Barclay, profesor de física y astronomía e investigador en nanotecnología cuántica, en la información de la universidad. "Estos dispositivos también tienen muchas aplicaciones potenciales, incluyendo la detección, la tecnología para cambiar el color de la luz, y tecnologías de la información y la computación cuántica."
La nanofotónica cuántica implica el desarrollo de circuitos a micro y nanoescala (alrededor de 100 veces más pequeños que el ancho de un cabello humano) para manipular la luz.
En lugar de microcircuitos en los que se conduce electricidad, la nanofotónica implica la transmisión de luz a través de cables. Es como la tecnología de fibra óptica, pero a una escala mucho más pequeña y potencialmente más compleja, lo que permite la transmisión de información más densa y eficientemente.
Los investigadores hicieron vibrar el microdisco de diamante a la frecuencia de gigahercios, la utilizada en las transmisiones de ordenador y teléfonos móviles, lo cual demuestra el potencial del dispositivo para estudiar los efectos cuánticos a esa escala.
Los investigadores Qiang Zhang y Jian-Wei Pan, junto con su equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, implementaron su prueba de campo en Hefei y utilizaron luz en la longitud de onda de las telecomunicaciones, tal como se utiliza en las redes actuales, informa Sinc.
El experimento de Calgary utilizó fotones en una longitud de onda de telecomunicaciones, 1.532 nanómetros, y también en una longitud de 795 nanómetros, lo que permitió que el experimento de teletransporte fuera más rápido que el del equipo chino, pero con una fidelidad reducida.
Resonador óptico
Otro equipo de la Universidad de Calgary, formado por Paul Barclay u otros físicos, ha creado un resonador óptico -o cavidad óptica- de tamaño nanométrico, hecho de un solo cristal de diamante, que es también un resonador mecánico, y que podría llevar a grandes avances en la informática, las telecomunicaciones y otros campos.
"Los dispositivos ópticomecánicos de diamante ofrecen una plataforma para estudiar el comportamiento cuántico de objetos microscópicos", dice Barclay, profesor de física y astronomía e investigador en nanotecnología cuántica, en la información de la universidad. "Estos dispositivos también tienen muchas aplicaciones potenciales, incluyendo la detección, la tecnología para cambiar el color de la luz, y tecnologías de la información y la computación cuántica."
La nanofotónica cuántica implica el desarrollo de circuitos a micro y nanoescala (alrededor de 100 veces más pequeños que el ancho de un cabello humano) para manipular la luz.
En lugar de microcircuitos en los que se conduce electricidad, la nanofotónica implica la transmisión de luz a través de cables. Es como la tecnología de fibra óptica, pero a una escala mucho más pequeña y potencialmente más compleja, lo que permite la transmisión de información más densa y eficientemente.
Los investigadores hicieron vibrar el microdisco de diamante a la frecuencia de gigahercios, la utilizada en las transmisiones de ordenador y teléfonos móviles, lo cual demuestra el potencial del dispositivo para estudiar los efectos cuánticos a esa escala.
Referencias bibliográficas:
Raju Valivarthi, Marcel.li Grimau Puigibert, Qiang Zhou, Gabriel H. Aguilar, Varun B. Verma, Francesco Marsili, Matthew D. Shaw, Sae Woo Nam, Daniel Oblak, Wolfgang Tittel: Quantum teleportation across a metropolitan fibre network. Nature Photonics (2016). DOI: 10.1038/nphoton.2016.180
Qi-Chao Sun et al.: Quantum teleportation with independent sources and prior entanglement distribution over a network. Nature Photonics (2016). DOI: 10.1038/nphoton.2016.179
Matthew Mitchell, Behzad Khanaliloo, David P. Lake, Tamiko Masuda, J. P. Hadden, Paul E. Barclay: Single-crystal diamond low-dissipation cavity optomechanics. Optica (2016). DOI: 10.1364/OPTICA.3.000963
Raju Valivarthi, Marcel.li Grimau Puigibert, Qiang Zhou, Gabriel H. Aguilar, Varun B. Verma, Francesco Marsili, Matthew D. Shaw, Sae Woo Nam, Daniel Oblak, Wolfgang Tittel: Quantum teleportation across a metropolitan fibre network. Nature Photonics (2016). DOI: 10.1038/nphoton.2016.180
Qi-Chao Sun et al.: Quantum teleportation with independent sources and prior entanglement distribution over a network. Nature Photonics (2016). DOI: 10.1038/nphoton.2016.179
Matthew Mitchell, Behzad Khanaliloo, David P. Lake, Tamiko Masuda, J. P. Hadden, Paul E. Barclay: Single-crystal diamond low-dissipation cavity optomechanics. Optica (2016). DOI: 10.1364/OPTICA.3.000963