NeoFronteras

Interpretación artística de la red de entrelazamiento entre átomos de cesio y un haz de luz. Foto: Mette Host, Instituto Niels Bohr.

Consiguen transferir un estado cuántico de un haz de luz a un objeto material macroscópico. Esta es la primera vez que se consigue el teletransporte cuántico entre un medio «móvil» como es un haz de luz y un medio «estacionario» macroscópico hecho de átomos. Este teletransporte podría servir como sistema de comunicación a distancia entre procesadores en una hipotética red cuántica de computación.
Desde que Charles Bennet y su equipo propusieran por primera vez en 1993 el teletransporte cuántico (quizás un término poco afortunado, a veces se utiliza el verbo «teleportar» en lugar de «teletransportar») los entusiastas de la ciencia ficción se han frustrado con este tipo de experimentos porque obviamente no pueden teletransportar a Spock (hable vasco o vulcaniano) a la superficie de un extraño planeta. Se han tenido que conformar, por ejemplo, con el teletransporte del estado cuántico de un átomo a distancia. Y es que obviamente no es lo mismo. Podemos por tanto definir este tipo de teletransporte como la transferencia completa del estado de un sistema cuántico de un lugar a otro, pero no de los objetos mismos.
El teletransporte cuántico fue experimentalmente realizado por primera vez entre dos haces de luz. Más tarde fue posible transportar el estado cuántico de un ión a otro del mismo tipo. Ahora investigadores del Max Planck en Garching y del Niels Bohr en Copenague han conseguido transferir de manera exitosa el estado cuántico de un haz de luz a un conjunto de átomos. Este equipo de investigadores liderado por el Prof. Ignacio Cirac y el Prof. Eugene Polzik ha mostrado que el estado cuántico de un pulso de luz puede transferirse a un objeto macroscópico compuesto por un conjunto de 10¹² átomos. Este es el primer caso exitoso de teletransporte entre objetos de diferente naturaleza y no sólo es importante en física fundamental sino para posibles aplicaciones en computación cuántica y en el cifrado cuántico.
Desde los noventa del pasado sigo XX se han realizado diversos experimentos y estudios teóricos en este campo. Pero la transmisión de la información cuántica tiene un problema: la medida de los estados cuánticos no puede ser realizada con precisión. Sólo parte de la información del estado cuántico se puede saber y el resto destruida en el proceso de medida al destruir dicho estado.
Según el principio de incertidumbre de Heisenberg dos propiedades complementarias como la posición y momento lineal (el producto de la masa por la velocidad) de una partícula no se pueden medir de manera simultanea con precisión. La información completa del sistema tiene que ser transmitida sin ser del todo conocida. Pero la naturaleza nos da una solución: la posibilidad de entrelazar dos partículas de un modo tal que sus propiedades están perfectamente correlacionadas. Si una propiedad es medida en la partícula “gemela” esto determina la propiedad correspondiente en la otra, que automáticamente e instantáneamente la adopta.
Con la ayuda de partículas entrelazadas el teletransporte puede realizarse de la siguiente manera: se crea un par de partículas entrelazadas auxiliares, una es transmitida a “Alicia” y la otra a “Bob” (los nombres “Alicia” y “Bob” se han adoptado para describir la transmisión de información cuántica de A a B). Alicia entrelaza el objeto a teletransportar con una partícula auxiliar y entonces mide el estado conjunto (medición de Bell). Ella manda el resultado a Bob de manera clásica. Bob lo aplica a su partícula auxiliar e invoca el objeto teletransportado a partir de ello.
¿Son esas instrucciones de uso un juego meramente mental? El gran desafío a los físicos teóricos es concebir conceptos que además se puedan comprobar en la práctica. El experimento que ahora describimos ha sido realizado por el equipo de Copenhague y sigue las proposiciones de Ignacio Cirac del MPQ y de su colaborador Dr. Klemens Hammerer (Universidad de Innsbruck en Austria).
El primer par entrelazado es producido mediante el envío de un pulso intenso de luz a un tubo de vidrio relleno con gas de cesio (con alrededor de 10¹² átomos). Los momentos magnéticos de los átomos del gas son alineados con un campo magnético. Además, la luz está polarizada (las oscilaciones su campo eléctrico o magnético se producen solo en una dirección). Bajo estas condiciones la luz y los átomos son forzados a interaccionar de tal modo que la luz emergente del gas y que es enviada a Alicia está entrelazada con el conjunto de átomos de cesio situados en Bob.
Alicia mezcla mediante un divisor de haz el pulso de luz que le llega con el objeto que quiere teletransportar: un pulso débil de luz que contiene unos pocos fotones. Los pulsos de luz emergentes de las dos salidas del divisor de haz son medidos con un detector de fotones y los resultados se mandan a Bob.
Los resultados medidos le dicen a Bob qué es lo que debe de hacer para completar el teletransporte y la transferencia del estado cuántico seleccionado de los pulsos de luz sobre el conjunto de átomos. Para ello aplica un campo magnético de baja frecuencia que hace que el spin colectivo de los átomos oscile. Este proceso puede ser comparado con la precesión del eje de una peonza o trompo: la inclinación de la peonza se corresponde a la amplitud de la luz, mientras que la dirección a la que apunta corresponde a la fase.
Para probar que el teletransporte cuántico ha tenido éxito, un segundo pulso intenso de luz polarizada es enviado al conjunto de átomos después de 0.1 milisegundos y lee el estado. A partir de estas medidas los físicos pueden calcular la llamada fidelidad, un factor de calidad que especifica cómo de bien el estado teletransportado se ajusta al original. Una fidelidad de 1 es equivalente a una correspondencia perfecta, mientras que una fidelidad 0 significa que no ha habido transferencia en absoluto. En este experimento la fidelidad fue de 0.6, pero se considera una buena transferencia si está por encima de 0.5 que es la fidelidad alcanzada en los sistemas clásicos, como la comunicación telefónica, sin la ayuda de pares entrelazados de partículas.
A diferencia de lo que vemos en Star Trek, en este caso no desaparecen partículas de un lugar para aparecer en otro. El teletransporte cuántico constituye un método de comunicación susceptible de ser usado en criptografía cuántica, decodificación de datos y no un sistema de transporte. Según Dr. Klemens Hammerer la importancia del experimento reside en que ahora por primera vez se puede conseguir el teletransporte entre estados estacionarios de átomos, que pueden almacenar estados cuánticos, y la luz, que se necesita para transmitir información a larga distancia. Constituye pues un paso importante hacia la realización de la criptografía cuántica: comunicaciones absolutamente seguras sobre largas distancias incluso entre Munich y Copenhague.

Referencia: Jacob F. Sherson, Hanna Krauter, Rasmus K. Olsson, Brian Julsgaard, Klemens Hammerer, Ignacio Cirac and Eugene S. Polzik: Quantum teleportation between light and matter Nature 443, 557-560(5 October 2006).

Fuente: Max Planck Society for the Advancement of Science.