Un único fotón provoca el entrelazamiento cuántico de 16 millones de átomos

La teoría cuántica predice que un gran número de átomos pueden estar entrelazados, vinculados por una relación cuántica muy poderosa, incluso en una estructura macroscópica. Sin embargo, las pruebas experimentales de esta teoría han sido escasas, incluso si recientes progresos han permitido comprobar el entrelazamiento cuántico de 2.900 átomos.

Dándole vueltas al tratamiento de los datos obtenidos de sus observaciones, investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE) han cambiado de escala y comprobado el entrelazamiento cuántico de 16 millones de átomos en el interior de un cristal de un centímetro. Los resultados se publican en  Nature Communications.

Las leyes de la física cuántica permiten actualmente emitir señales cuya intercepción por un tercero sería detectada instantáneamente. Esta propiedad es esencial para la protección de datos y más específicamente para la criptografía, que permite garantizar que los mensajes intercambiados entre dos personas no pueden ser interceptados por el camino.

Lo que le faltaba a esta tecnología es que esas señales puedan recorrer largas distancias gracias a apoyos un poco particulares, llamados repetidores cuánticos, de los que este grupo de investigadores, tal como informamos en otro artículo, han sido pioneros. Estos repetidores cuánticos son cristales cuyos átomos están unidos por el así llamado entrelazamiento cuántico.

En esencia, el entrelazamiento cuántico se produce cuando partículas tales como fotones o electrones interactúan físicamente y luego se separan, pero siguen estando íntimamente conectadas, incluso si están a miles de kilómetros de distancia, de tal forma que  cualquier modificación deliberada en una partícula, se refleja instantáneamente en la otra.

Cuando un fotón penetra en este pequeño recinto de cristal enriquecido con átomos de elementos químicos conocidos como “tierras raras” (que agrupan el escandio, el itrio y los 15 elementos del grupo de los lantánidos), y enfriados a 270 grados bajo cero, tres grados por encima del cero absoluto, el fotón crea el entrelazamiento cuántico entre los millones de átomos del cristal, cuando son atravesados por el fotón.

La teoría predice con absoluta certeza que este fenómeno se produce realmente, ya que el cristal cumple su función y reenvía sin leer la información que ha recibido, en forma de fotón único.

Vía indirecta

Pero aunque es relativamente sencillo entrelazar dos partículas, ya que la escisión de un fotón genera por ejemplo dos fotones entrelazados cuánticamente, con propiedades y comportamientos idénticos, es imposible observar directamente un fenómeno de entrelazamiento entre varios millones de átomos, ya que la masa de datos que sería necesario reunir y analizar es muy importante, explica Florian Fröwis, uno de los investigadores, en un comunicado.

Para resolver esta dificultad, Fröwis y sus colaboradores han elegido una vía indirecta, preguntándose en primer lugar qué medidas se pueden realizar y luego, de entre todas ellas, determinar cuáles son pertinentes.

Los investigadores se han centrado en las características de la luz reenviada por el cristal, analizando sus propiedades estadísticas y las probabilidades que les acompañan, trazando dos índices principales: que la luz sea realmente reenviada en una única dirección (más que dispersarse en un rayo a partir del cristal) y que la emisión de esa luz esté constituida por un fotón único.

De esta forma, han podido demostrar el entrelazamiento cuántico de 16 millones de átomos, donde hasta ahora observaciones precedentes sólo habían podido determinar unos miles de entrelazamientos.

Aunque otro grupo de científicos de la Universidad de Calgary, en Canadá, ha demostrado en el pasado el entrelazamiento de numerosos grupos de átomos, según explica Mikael Afzelius, otro de los investigadores suizos, para conseguir su resultado no han cambiado las leyes de la física, sino que han cambiado la forma de tratar el flujo de datos.

El entrelazamiento cuántico es uno de los requisitos básicos de la revolución cuántica en puertas que afectará tanto al volumen de información que puede circular por las redes del futuro, como a la potencia y modo de funcionamiento de los ordenadores cuánticos, destacan los investigadores.

Todo este futuro se basa en la relación que existe entre dos partículas a nivel cuántico, una relación mucho más fuerte que las simples correlaciones que propone la física clásica.

Referencia

Experimental certification of millions of genuinely entangled atoms in a solid. Nature Communications 8, Article number: 907 (2017). DOI:10.1038/s41467-017-00898-6