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La tecnología cuántica suele emplear qubits (bits cuánticos) formados, por ejemplo, por electrones individuales, fotones o átomos. Un grupo de investigadores de la Universidad Técnica de Delft ha demostrado la capacidad de teletransportar un estado de qubit arbitrario desde un solo fotón a un dispositivo optomecánico, que consiste en una estructura mecánica compuesta por miles de millones de átomos. Su innovadora investigación, que se publica ahora en Nature Photonics, permite aplicaciones en el mundo real, como los nodos repetidores de internet cuántico, además de permitir estudiar la propia mecánica cuántica de nuevas maneras.
Optomecánica cuántica
El campo de la optomecánica cuántica utiliza medios ópticos para controlar el movimiento mecánico en el régimen cuántico. Los primeros efectos cuánticos en dispositivos mecánicos a microescala se demostraron hace unos diez años. Desde entonces, los esfuerzos se han centrado en los estados entrelazados entre dispositivos optomecánicos, así como en la demostración de una memoria cuántica optomecánica.
Nodos repetidores para una Internet cuántica
El teletransporte cuántico -la transferencia fiel de un estado cuántico de entrada desconocido a un sistema cuántico remoto- es un componente clave de los protocolos de comunicación cuántica a larga distancia necesarios para construir una internet cuántica. Al igual que la Internet normal, la distribución de información cuántica entre dispositivos cuánticos de cualquier parte del mundo requerirá una red de nodos repetidores.
Dos resonadores micromecánicos que comparten un mismo estado cuántico
En su experimento, los investigadores crean un qubit fotónico codificado por la polarización en un estado cuántico arbitrario. A continuación, transportan este fotón a través de decenas de metros de fibra óptica y lo teletransportan a su memoria cuántica, compuesta por dos enormes resonadores mecánicos de silicio, cada uno de ellos de unos 10 micrómetros y compuesto por decenas de miles de millones de átomos.
Longitudes de onda para telecomunicaciones
Aunque el teletransporte cuántico ya se ha demostrado en varios sistemas cuánticos, el uso de dispositivos optomecánicos supone un gran avance porque pueden diseñarse para funcionar en cualquier longitud de onda óptica, incluidas las de la fibra de telecomunicaciones de baja pérdida. "Esta longitud de onda es la que da lugar a la menor pérdida de transmisión, permitiendo la mayor distancia entre los nodos repetidores", afirma Gröblacher.
Todos los bloques de construcción
En principio, el teletransporte cuántico puede realizarse a distancias arbitrarias. Al teletransportar un estado cuántico fotónico a través de decenas de metros de fibra óptica a una memoria cuántica, los investigadores han demostrado el requisito de un nodo repetidor cuántico optomecánico totalmente funcional.
Un enfoque híbrido
La investigación actual es un gran paso hacia la visión de Gröblacher de una futura Internet cuántica híbrida. "Estamos trabajando para conseguir una red heterogénea en la que haya varios sistemas físicos comunicándose y realizando diferentes funcionalidades", afirma.
Transición de lo cuántico a lo clásico
Además de permitir la construcción de nuevas tecnologías cuánticas, la capacidad de teletransportar un estado arbitrario de qubits a osciladores mecánicos masivos también puede utilizarse para probar la propia física cuántica a un nivel fundamental. Mientras que los sistemas muy pequeños suelen comportarse según las leyes de la mecánica cuántica, los sistemas grandes se rigen por las leyes clásicas de la física.
Fuentes, créditos y referencias:
Niccolò Fiaschi et al, Optomechanical quantum teleportation, Nature Photonics (2021). DOI: 10.1038/s41566-021-00866-z