Un avance hacia las comunicaciones cuánticas: Entrelazar de forma cuántica dos partículas separadas 1,200 km

Enrique Sacristán, SINC

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y de la Academia de Ciencias de aquel país han logrado, mediante un satélite, distribuir pares de fotones entrelazados a más de 1200 km. El avance, con posibles aplicaciones futuras en comunicaciones cuánticas superseguras, se publica esta semana en la revista Science.

Hasta la fecha, todos los esfuerzos para entrelazar partículas, una forma de ‘vincularlas’ de forma cuántica a distancia, se limitaban a unos 100 km o menos, ya que el entrelazamiento se pierde a medida que son transmitidas a lo largo de fibras ópticas o a través de espacios abiertos terrestres.

Hasta la fecha, todos los esfuerzos para entrelazar partículas se limitaban a unos 100 km

Una de las formas con la que los científicos tratan de superar este problema es romper la línea de transmisión en segmentos más pequeños y de forma repetida intercambiar, purificar y almacenar la información cuántica a lo largo de la fibra.

Sin embargo, existe otro enfoque para lograr redes cuánticas a escala global mediante láseres y tecnologías basadas en satélites. Esta opción es la que ha empleado ahora con éxito el equipo de científicos chinos, liderado por el investigador Juan Yin.

Para su estudio, los autores han utilizado el satélite Micius o Mozi, bautizado así en honor a un filósofo y científico chino del siglo quinto a.C. La nave se lanzó el año pasado y está equipada con tecnologías y herramientas cuánticas muy especializadas.

Récord de pares entrelazados a 1203 km

El satélite se utilizó para comunicar con tres estaciones terrestres situadas en distintos puntos de China (Nanshan en la ciudad de Urumqi, Delingha en Qinghai y el Observatorio Gaomeigu en Lijiang). Las dos últimas están alejadas entre sí por una distancia de 1203 km, entre las que se estableció el nuevo récord de entrelazamiento cuántico. Por su parte, la separación entre el satélite en órbita y las estaciones terrestres osciló entre los 500 y los 2000 km.

“Este trabajo muestra que es posible obtener pares de fotones entrelazados sobre distancias hasta ahora nunca conseguidas», valora Esperanza López, investigadora española del Instituto de Física Teórica (IFT) que no ha participado en el estudio pero es experta en el tema, «y esto se logra emitiendo los pares entrelazados desde un satelite, de forma que gran parte de su propagacion se produce sobre un medio muy ralo, lo que minimiza interacciones que pueden destruir la coherencia cuántica”.

Esquema del entrelazamiento de partículas a grandes distancias mediante el satélite y los dispositivos transmisores, receptores y APT. / Chinese Academy of Sciences/Juan Yin et al./Science

Los científicos chinos sometieron un haz láser del satélite a un divisor de haces, con lo que consiguieron dos estados polarizados diferentes del haz. Uno de los ‘subhaces’ se utilizó para la transmisión de fotones entrelazados, mientras que el otro se dedicó a la recepción de fotones. De esta manera, pudieron entregar fotones entrelazados a las estaciones terrestres, separadas a más de 1000 km.

En concreto, desarrollando una fuente espacial ultrabrillante de entrelazamiento de dos fotones y una tecnología de ‘adquisición, apuntamiento y seguimiento’ (APT) de alta precisión, el equipo pudo establecer el entrelazamiento entre dos fotones individuales separados por los 1203 km que hay entre las dos estaciones más alejadas.

"Este trabajo es un gran paso tanto para el futuro de las comunicaciones cuánticas, como para la investigación básica", valora una experta

“Con un cuidadoso dispositivo experimental, han logrado establecer el denominado test de Bell (una técnica para descubrir si las partículas cuánticas realmente están entrelazadas) sobre pares entrelazados a una distancia de 1200 km”, indica la investigadora del IFT.

Implicaciones para la teleportación y comunicación cuánticas

Según los autores, una distribución de entrelazamiento cuántico que cubra grandes distancias, como las logradas ahora, tiene importantes implicaciones para la teleportación cuántica y las redes de comunicación.

La teleportación es una tecnología cuántica única que permite transferir un estado cuántico a una localización alejada de forma arbitraria. Para conseguirlo se emplea un estado de entrelazamiento cuántico distribuido, aunque también se requiere la transmisión de cierta información clásica.

Este tipo de teleportación no transfiere energía o materia, ni permite la comunicación de información a velocidad superior a la de la luz, pero si puede llegar a ser muy útil en computaciones y comunicaciones cuánticas superseguras. “En conjunto, este trabajo supone un gran paso, tanto para el futuro de las comunicaciones cuánticas, como para la investigación fundamental”, concluye Esperanza López.

Entrelazamiento y teleportación cuánticas para novatos

«El entrelazamiento cuantico, una propiedad fundamental de los sistemas cuánticos, caracteriza estados de sistemas compuestos en los que la medición de alguna de sus componentes influye sobre el estado en que se encuentra al resto», explica Esperanza López, investigadora del Instituto de Física Teórica (IFT, un centro mixto de la Universidad Autónoma de Madrid y el CSIC). «Es una propiedad sorprendente porque, en ausencia de otras influencias externas, se mantiene sobre distancias arbitrariamente grandes y se manifiesta de manera instantánea aunque las componentes del sistema están muy alejadas. Esto llevo a grandes científicos, entre ellos Albert Einstein, a proponer que la física cuántica no proporciona la descripción ultima de la naturaleza microscópica. Una aportacion seminal a esta discusion la aportó el físico irlandés John S. Bell, mostrando que se puede discriminar experimentalmente si la mecánica cuántica necesita ser completada con unas denominadas variables ocultas. La propiedad básica a utilizar es precisamente el entrelazamiento cuantico».