Logran la teleportación cuántica entre nodos no conectados

La teleportación cuántica permite transferir información cuántica (cúbits o bits cuánticos) de un lugar a otro, por lo que tiene aplicaciones potenciales muy importantes en las comunicaciones seguras, la computación cuántica y el desarrollo de la próxima generación de internet.

Las demostraciones experimentales de este efecto, detrás del que está el extraño entrelazamiento cuántico (que ‘conecta’ de forma cuántica dos partículas alejadas), hasta ahora solo se habían realizado entre dos nodos adyacentes en una red, pero investigadores del instituto neerlandés QuTech lo han conseguido entre dos que no lo están.

El avance, publicado en la revista Nature, representa un paso importante hacia la futura internet cuántica, según los autores, que lo han logrado gracias enlaces cuánticos establecidos en una red rudimentaria con tres nodos: Alice, Bob y Charlie, conectados en línea por fibras ópticas y una conexión directa entre los que son ‘vecinos’: Alice y Bob por una parte, y Bob y Charlie por otra. Pero en este sistema Alice y Charlie no son vecinos.

“Vecinos en una red cuántica significa que tienen una conexión de fibra directa, y que pueden crear entrelazamiento directamente, es decir, sin necesidad de otro nodo. En este caso, el que sean o no vecinos no tiene que ver con la distancia, sino con la conectividad, cómo está organizada la red”, explica a SINC el autor principal, Ronald Hanson, que subraya: “Nuestro trabajo demuestra por primera vez la teleportación de información cuántica en una red, entre nodos que no están conectados directamente”.

Para entender el experimento conviene recordar que el envío de cúbits entre los procesadores que conforman estas redes cuánticas no es nada fácil. Una posibilidad es mandar bits cuánticos mediante partículas de luz, pero, debido a las inevitables pérdidas en los cables de fibra de vidrio, sobre todo en las largas distancias, es muy probable que no lleguen a su destino. La pérdida de una partícula de luz significa que la información cuántica se pierda irremediablemente.

Sin embargo, la teleportación ofrece una forma mejor de enviar información cuántica. Su protocolo de actuación recuerda al teletransporte de las películas de ciencia ficción: el cúbit desaparece en el lado del emisor y aparece en el lado del receptor. Como no atraviesa el espacio intermedio, no se puede perder, algo crucial en la internet cuántica del futuro.

“La característica clave de la teleportación es que permite la transferencia fiable de información cuántica (cúbits) entre nodos, una rutina clave que en una futura internet cuántica ocurrirá todo el tiempo. Como con la teleportación la información cuántica no viaja por el espacio, tampoco se ve perturbada por éste. Esto es muy importante porque la información cuántica no puede copiarse, por lo que si se pierde en la transmisión se pierde para siempre”.

Para poder teletransportar o teleportar los cúbits se necesitan varios ingredientes: un enlace cuántico entrelazado entre el emisor y el receptor, un método fiable para leer los procesadores cuánticos y la capacidad de almacenar estos bits cuánticos temporalmente.

Investigaciones anteriores en QuTech, una colaboración entre la Universidad Tecnológica de Delft y la Organización Holandesa para la Investigación Científica Aplicada (TNO), ya habían demostrado que es posible transferir cúbits entre dos nodos vecinos. La novedad ahora es lograrlo por primera vez entre dos que no lo son, es decir, a través de una red, de momento rudimentaria.

En concreto, han teleportado bits cuánticos de Charlie a Alice, con la ayuda de Bob, el nodo intermedio. Los tres operan mediante una especie de impureza de diamante llamada centro nitrógeno-vacante (NV center).

Teleportación cuántica en tres pasos

La teleportación consta de tres pasos. En primer lugar, hay que preparar el ‘teleportador’, lo que significa que hay que crear un estado entrelazado entre Alice y Charlie. Estos no tienen una conexión física directa, pero ambos están conectados directamente con Bob. Entonces Alice y Bob crean un estado entrelazado entre sus procesadores, Bob almacena su parte del estado entrelazado y luego se entrelaza también con Charlie.

Después se realiza una especie de ‘juego de manos’ de mecánica cuántica: mediante una medición especial en su procesador, Bob ‘envía’ el entrelazamiento, de tal forma que Alice y Charlie quedan entrelazados y el teleportador listo para operar.

La segunda etapa es producir el ‘mensaje’, el cúbit, que se va a teletransportar. Puede ser, por ejemplo, un 1, un 0 o varios valores intermedios. Charlie prepara esta información cuántica. Para demostrar que la teleportación funciona de forma genérica, los investigadores repitieron todo el experimento para diversos valores de bits cuánticos.

El tercer paso es la teleportación real de Charlie a Alice. Para ello, Charlie realiza una medición conjunta con el mensaje en su procesador cuántico y en su mitad del estado entrelazado (Alice tiene la otra mitad). Lo que ocurre entonces es algo que solo es posible en el mundo cuántico: como resultado de esta medición, la información desaparece en el lado de Charlie y aparece inmediatamente en el lado de Alice.

Se podría pensar que así se completa el proceso, pero nada más lejos de la realidad. De hecho, el cúbit se ha encriptado al ser transferido. La clave está determinada por el resultado de la medición de Charlie, que lo manda a Alice para, a su vez, efectuar la operación cuántica correspondiente y descifrar el bit cuántico.

Esto se puede realizar, por ejemplo, mediante un ‘volteo’ de bits»: el 0 se convierte en 1 y el 1 en 0. Después de que Alice haya efectuado la operación correcta, la información cuántica ya es apta para su uso posterior. El teletransporte ha tenido éxito.

Futuras mejoras en la red

Las investigaciones futuras del equipo se centrarán en invertir los pasos uno y dos del protocolo para optimizarlo y ampliar sus posibilidades. En cualquier caso, los autores consideran que el intercambio de información entre nodos no conectados que han demostrado ya representa un paso importante hacia la construcción de una red cuántica que se comunique mediante la teleportación cuántica.

Sin embargo, la teleportación completa en una red cuántica todavía queda lejos, según valoran en otro artículo de Nature los investigadores Oliver Slattery (del instituto NIST de EE UU) y Yong-Su Kim (KIST, de Corea del Sur). Estos autores explican que se necesitarán más mejoras en varias características del sistema para permitir múltiples rondas de teleportación y producir redes cuánticas a gran escala.

Carlos Sabín, investigador en el Instituto de Física Fundamental del CSIC, también ha valorado este estudio para SMC España: “Podría interpretarse como un primer paso (muy preliminar) hacia una red cuántica de comunicaciones. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la gran dificultad experimental hace que la calidad de la transmisión de información sea todavía muy baja. Esto se puede medir calculando la llamada ‘fidelidad’ del estado transmitido, es decir, el parecido entre el estado final real del cúbit y el estado que queríamos transmitir”.

Necesidad de aumentar la ‘fidelidad’

“Idealmente, esa fidelidad debería ser del 100 % –añade–. Si está por encima del 66,6 % sabemos que el proceso es imposible sin usar física cuántica. En el experimento se consigue en promedio una fidelidad del 70 %, pero en algunos estados cae hasta el 65 %. Esto es suficiente para demostrar que el proceso es cuántico (al menos, en promedio), pero obviamente todavía muy lejos de cualquier posible aplicación tecnológica, ya que el estado que se obtiene es un 30 % distinto del original. Queda mucho trabajo por delante para mejorar esos porcentajes y poder extender el experimento a nodos más alejados en la red”.

Por su parte, Miguel Ángel Martín-Delgado, catedrático de Física Teórica en la Universidad Complutense de Madrid y coordinador de QUITEMAD (Quantum Information Technologies Madrid) añade: “Utilizando cúbits de spin (unidades de información cuántica) insertados en diamantes y conectados por enlaces de fibra óptica, el equipo ha conseguido teleportar estados garantizando su carácter cuántico y con una gran eficiencia. Ha introducido muchas mejoras técnicas que esperan sean reutilizables en otras plataformas cuánticas, pero se echa de menos más información sobre el rango de distancias entre los nodos”.

“Es un avance necesario –concluye–, pero todavía no suficiente para recorrer todas esas posibilidades que se nos abren cuando consigamos dominar aún más la teleportación cuántica de forma práctica y rutinaria, y en particular, lograr teleportar a distancias suficientemente grandes”.

Referencia:

Sophie Hermans, Ronald Hanson et al. “Qubit teleportation between non-neighbouring nodes in a quantum network”. Nature, 2022.