Investigadores del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague han desarrollado una nueva forma de crear memoria cuántica: un pequeño tambor puede almacenar datos enviados con luz en sus vibraciones sónicas y luego enviar los datos con nuevas fuentes de luz cuando sea necesario nuevamente. Los resultados demuestran que la memoria mecánica para datos cuánticos podría ser la estrategia que allane el camino hacia una Internet ultrasegura con velocidades increíbles.
La investigación se publica en la revista Physical Review Letters.
Justo debajo de la antigua oficina de Niels Bohr hay un sótano donde mesas dispersas están cubiertas con pequeños espejos, láseres y una aglomeración de todo tipo de dispositivos conectados por redes de cables y montones de cinta adhesiva. Parece que el proyecto de un niño ha ido demasiado lejos, uno que sus padres han intentado en vano que limpie.
Si bien es difícil para el ojo inexperto discernir que estas tablas son en realidad el hogar de una serie de proyectos de investigación líderes en el mundo, las cosas importantes están sucediendo dentro de mundos tan pequeños que ni siquiera se aplican las leyes de Newton. Aquí es donde los herederos de la física cuántica de Niels Bohr están desarrollando la tecnología cuántica más avanzada.
Uno de estos proyectos destaca, al menos para los físicos, por el hecho de que un aparato visible a simple vista es capaz de alcanzar estados cuánticos. El tambor cuántico es una pequeña membrana hecha de un material cerámico similar al vidrio con agujeros esparcidos en un patrón ordenado a lo largo de sus bordes.
Cuando el tambor se golpea con la luz de un láser, éste comienza a vibrar, y lo hace tan rápido y sin interferencias que entra en juego la mecánica cuántica. Esta propiedad ha causado revuelo desde hace tiempo al abrir una serie de posibilidades en la tecnología cuántica.
Ahora, una colaboración entre varias áreas cuánticas del Instituto ha demostrado que el tambor también puede desempeñar un papel clave para la red de computadoras cuánticas del futuro. Al igual que los alquimistas modernos, los investigadores han creado una nueva forma de "memoria cuántica" al convertir señales luminosas en vibraciones sónicas.
En su artículo de investigación recién publicado, los investigadores han demostrado que los datos cuánticos de una computadora cuántica emitidos como señales luminosas (por ejemplo, a través del tipo de cable de fibra óptica que ya se usa para conexiones a Internet de alta velocidad) pueden almacenarse como vibraciones en el tambor y luego reenviado.
Experimentos anteriores habían demostrado a los investigadores que la membrana puede permanecer en un estado cuántico que de otro modo sería frágil. Sobre esta base, creen que el tambor debería poder recibir y transmitir datos cuánticos sin que se "descohesione", es decir, que pierda su estado cuántico cuando los ordenadores cuánticos estén listos.
“Esto abre grandes perspectivas para el día en que las computadoras cuánticas realmente puedan hacer lo que esperamos que hagan. Es probable que la memoria cuántica sea fundamental para enviar información cuántica a distancia. Por lo tanto, lo que hemos desarrollado es una pieza crucial en la base misma de una Internet del futuro con velocidad y seguridad cuánticas”, dice el postdoctorado Mads Bjerregaard Kristensen del Instituto Niels Bohr, autor principal del nuevo artículo de investigación.
Ultrarrápido, ultraseguro
Al transferir información entre dos computadoras cuánticas a distancia (o entre muchas en una Internet cuántica), la señal rápidamente será ahogada por el ruido. La cantidad de ruido en un cable de fibra óptica aumenta exponencialmente cuanto más largo es el cable. Al final, los datos ya no se pueden decodificar.
La Internet clásica y otras redes informáticas importantes resuelven este problema de ruido amplificando las señales en pequeñas estaciones a lo largo de las rutas de transmisión. Pero para que las computadoras cuánticas apliquen un método análogo, primero deben traducir los datos a sistemas numéricos binarios ordinarios, como los utilizados por una computadora ordinaria.
Esto no servirá. Hacerlo ralentizaría la red y la haría vulnerable a los ciberataques, ya que las probabilidades de que la protección de datos clásica sea efectiva en el futuro de una computadora cuántica son muy malas.
“En cambio, esperamos que el tambor cuántico pueda asumir esta tarea. Ha resultado muy prometedor, ya que es increíblemente adecuado para recibir y reenviar señales desde una computadora cuántica. Por lo tanto, el objetivo es ampliar la conexión entre computadoras cuánticas a través de estaciones donde los tambores cuánticos reciben y retransmiten señales y, al hacerlo, evitar el ruido y mantener los datos en un estado cuántico”, dice Kristensen.
"Al hacerlo, las velocidades y ventajas de las computadoras cuánticas, por ejemplo, en relación con ciertos cálculos complejos, se extenderán a través de las redes e Internet, ya que se lograrán explotando propiedades como la superposición y el entrelazamiento que son exclusivas de los estados cuánticos".
Si tienen éxito, las estaciones también podrán ampliar las conexiones cuánticas seguras, cuyos códigos cuánticos también podrían alargarse con el tambor. Estas señales seguras podrían enviarse a varias distancias (ya sea alrededor de una red cuántica o a través del Atlántico) en la Internet cuántica del futuro.
Flexible, práctica y posiblemente innovadora como la RAM cuántica
Se están realizando investigaciones en otros lugares sobre una alternativa en la que una fuente de luz que transporta datos se dirige a un sistema atómico y desplaza temporalmente los electrones del átomo, pero el método tiene sus limitaciones.
“Hay límites a lo que se puede hacer con un sistema atómico, ya que no podemos diseñar átomos o la frecuencia de la luz con la que pueden interactuar con nosotros mismos. Nuestro sistema mecánico relativamente "grande" proporciona más flexibilidad. Podemos hacer ajustes y modificaciones, de modo que si nuevos descubrimientos cambian las reglas del juego, haya muchas posibilidades de que el tambor cuántico pueda adaptarse”, explica el profesor Albert Schliesser, coautor del artículo de investigación.
“Para bien o para mal, nuestras capacidades como investigadores son principalmente las que definen los límites de lo bien que funciona todo”, señala.
El tambor es la última y más seria versión de la memoria cuántica mecánica, ya que combina una serie de propiedades: El tambor tiene una baja pérdida de señal, es decir, la intensidad de la señal de datos se retiene bien. También tiene la tremenda ventaja de poder manejar todas las frecuencias de luz, incluida la frecuencia utilizada en los cables de luz de fibra óptica sobre los que se construye la Internet moderna.
El tambor cuántico también es conveniente porque los datos se pueden almacenar y leer cuando sea necesario. Y el récord de 23 milisegundos de tiempo de memoria ya logrado por los investigadores hace que sea mucho más probable que el la tecnología algún día puede convertirse en un componente básico para sistemas de redes cuánticas, así como para el hardware de las computadoras cuánticas.
“Salimos temprano con esta investigación. La computación y las comunicaciones cuánticas aún se encuentran en una etapa temprana de desarrollo, pero con la memoria que hemos obtenido, se puede especular que algún día el tambor cuántico se utilizará como una especie de RAM cuántica, una especie de memoria de trabajo temporal para información cuántica. . Y eso sería innovador”, afirma el profesor.