Los científicos australianos han desarrollado una técnica innovadora que hace que la información cuántica sea codificada a la luz más práctica y confiable, potencialmente transformando comunicaciones seguras y computación cuántica. El avance, publicado el 6 de mayo en letras de revisión física, resuelve elegantemente un desafío persistente en la comunicación cuántica al simplificar cómo se procesa la información en los fotones, las pequeñas partículas que conforman la luz, sin sacrificar el rendimiento o la seguridad.
Resolver el desafío de medición cuántica
La información cuántica se puede almacenar en el momento preciso de los fotones individuales, conocido como “codificación de timbre”. Sin embargo, los enfoques tradicionales para medir estas señales cronometradas con precisión han requerido equipos extremadamente complejos e inestables, creando obstáculos significativos para aplicaciones del mundo real.
El equipo de investigación del Instituto de Investigación de Tecnologías Avanzadas de la Universidad de Griffith de la Universidad de Griffith pasó por alto estos desafíos utilizando un efecto cuántico llamado interferencia de Hong-Ou-Mandel (HOM).
“Piense en ello como la versión del universo de un apretón de manos incómodo que realmente logra algo útil”, explica el Dr. Simon White, uno de los principales investigadores del estudio.
Este efecto cuántico ocurre cuando dos fotones idénticos se encuentran en un divisor de haz, comportándose de manera que desafíen la física clásica, pero se puede aprovechar para aplicaciones prácticas.
Desde qubits hasta qudits: expansión de la capacidad de información
La técnica combina la interferencia de HOM con una “caminata cuántica”, un proceso que describe cómo los fotones individuales se mueven a través de diferentes caminos en el tiempo. Esta combinación desbloquea el acceso a señales cuánticas de alta dimensión llamadas QUDITS.
A diferencia de los bits clásicos (0 o 1) o los bits cuánticos estándar (qubits), los qudits pueden existir en múltiples estados simultáneamente, aumentando drásticamente la capacidad de información y el potencial de seguridad.
“Los fotones son operadores ideales de información cuántica, y la codificación de información en la hora de llegada de un fotón es una excelente manera de enviar un mensaje cuántico”, dijo el Dr. White. “Mostramos cómo simplificar la medición de estos mensajes para que los detectores no necesiten resolver el tiempo individual de llegada; en cambio, solo necesitamos observar la interferencia”.
Precisión notable en el laboratorio
Los resultados experimentales demuestran la confiabilidad excepcional de la técnica:
- Más del 99% de fidelidad en las mediciones de estado cuántico
- Escalable más allá de dos dimensiones
- Enredo cuántico generado con éxito entre diferentes propiedades de fotones individuales
- Funciona con breves separaciones temporales entre contenedores de tiempo
El Dr. Emanuele Polino, el otro investigador principal del estudio, destacó la importancia de demostrar enredo cuántico en su sistema.
“Enredar es una propiedad clave de la mecánica cuántica”, dijo el Dr. Polino. “Demostrar la presencia de enredos es importante, ya que da una idea de cómo estas propiedades cuánticas se pueden usar en el futuro”.
Aplicaciones del mundo real en el horizonte
Lo que hace que este desarrollo sea particularmente valioso es su potencial para la implementación práctica. El enfoque reduce la complejidad técnica y aumenta la estabilidad de los sistemas de comunicación cuántica, dos factores críticos para sacar tecnologías cuánticas fuera del laboratorio y en aplicaciones cotidianas.
La técnica de medición simplificada podría acelerar el desarrollo en varias áreas:
“Enviar señales cuánticas seguras es una tarea difícil, pero la codificación del uso de QUDITS basados en el tiempo hace que esa tarea sea más fácil y más robusta”, dijo el Dr. White. “Al mejorar la estabilidad, la versatilidad y la simplicidad de la codificación cuántica de cuervo en el tiempo, este avance nos acerca a las tecnologías cuánticas escalables”.
La tecnología podría servir como base para las comunicaciones inquebrantables, las computadoras cuánticas más potentes y los dispositivos avanzados de detección cuántica.
El creciente paisaje cuántico
Este avance se produce en medio del creciente interés mundial en las tecnologías cuánticas, con gobiernos y empresas que invierten cada vez más en investigación y desarrollo cuántico.
Si bien muchas innovaciones cuánticas permanecen principalmente teóricas o restringidas a entornos de laboratorio, este enfoque de los investigadores de la Universidad Griffith representa el tipo de avance práctico que podría ayudar a cerrar la brecha entre la teoría cuántica y la implementación del mundo real.
“Este trabajo nos ayuda a ver mejor las propiedades fundamentales de las partículas cuánticas y abre nuevas posibilidades para la comunicación segura, la simulación cuántica avanzada y las aplicaciones cuánticas del mundo real. Y honestamente, creemos que es bastante importante”, concluye el Dr. White.
A medida que las tecnologías cuánticas continúan madurando, los avances que simplifican la implementación mientras mantienen un alto rendimiento, como este, es crucial para determinar qué enfoques cuánticos finalmente tienen éxito en el mercado.
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