Potente impulso a la computación y la criptografía cuánticas

El entrelazamiento cuántico funciona mejor a nivel de circuitos superconductores que tienen el tamaño de varios cientos de micrómetros y operan a frecuencias de microondas: se conocen como objetos cuánticos macroscópicos y se podrán usar para fabricar ordenadores cuánticos.

Una nueva investigación liderada por la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zurich) ha confirmado que el entrelazamiento cuántico funciona mucho mejor en circuitos eléctricos macroscópicos y, en consecuencia, que los circuitos superconductores pueden enredarse a gran distancia.

Esta constatación abre posibles aplicaciones en el campo de la computación cuántica distribuida y la criptografía cuántica, destacan los autores de esta investigación en un articulo publicado en la revista Nature.

El entrelazamiento cuántico es una extraña capacidad que tienen las partículas elementales de mantener un vínculo inexplicable, aunque estén separadas entre sí por centenares de kilómetros.

Polémica inicial

El entrelazamiento cuántico, que Einstein calificaba de aterrador, fue originalmente un tema polémico para la física porque invalida el denominado "principio de localidad", según el cual algo que sucede en un lugar no debería afectar a otro objeto que esté en otra parte.

En 1964, el físico irlandés John Bell formuló un metateorema para comprobar o desmentir que el entrelazamiento cuántico era o no una predicción correcta.

En los años 70 se realizaron los primeros experimentos que confirmaron plenamente su validez, aunque no fue hasta el año pasado (2022) que el entrelazamiento cuántico quedó consagrado con la concesión del Premio Nobel de Física.

Fue otorgado (de forma compartida) al destacado físico francés Alain Aspect, por haber comprobado fehacientemente que dos partículas luminosas "entrelazadas" se afectan mutuamente, de forma instantánea, una y otra vez, aunque estén muy distantes entre sí.

Salto a superconductores

La nueva investigación ha ido ahora un paso más allá en la exploración del entrelazamiento cuántico, al comprobar por primera vez que funciona muy bien en circuitos superconductores.

Este detalle es importante porque confirma que los circuitos superconductores funcionan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, aunque son mucho más grandes que los objetos cuánticos microscópicos, como los fotones o los iones con los que se había comprobado anteriormente el entrelazamiento.

Los circuitos electrónicos, que tienen el tamaño de varios cientos de micrómetros, están hechos de materiales superconductores y operan a frecuencias de microondas: se conocen como objetos cuánticos macroscópicos.

En este nuevo trabajo, los investigadores han logrado demostrar que los objetos mecánicos cuánticos macroscópicos que están muy separados pueden estar mucho más fuertemente correlacionados entre sí de lo que es posible en los sistemas convencionales.

Además, aportan una confirmación adicional de la mecánica cuántica (en línea con lo que habían conseguido Aspect y otros), así como demuestran que el entrelazamiento se puede utilizar en los superconductores y construir con ellos los ordenadores cuánticos.

Cero absoluto

El experimento que sustenta estas posibilidades fue complicado: tuvo que realizarse en un vacío cercano al cero absoluto y necesitó 1,3 toneladas de cobre y 14.000 tornillos.

Ha podido establecer que la distancia más corta para realizar con éxito el entrelazamiento cuántico entre superconductores es de unos 33 metros, ya que una partícula de luz tarda unos 110 nanosegundos en recorrer esta distancia en el vacío. Eso es unos nanosegundos más de lo que les tomó a los investigadores realizar el experimento.

El procedimiento es el siguiente: antes del comienzo de cada medición, se transmite un fotón de microondas de uno de los dos circuitos superconductores al otro para que los dos circuitos se enreden.

Luego, los generadores de números aleatorios deciden qué mediciones se realizan en los dos circuitos como parte de la prueba. A continuación, se comparan los resultados de la medición en ambos lados.

Enredo a gran escala

Después de evaluar más de un millón de mediciones, los investigadores han demostrado con una certeza estadística muy alta que el entrelazamiento cuántico a este nivel se consigue con esta configuración experimental.

Esto los lleva a considerar que, en principio, sería posible construir instalaciones que superen distancias aún mayores de la misma manera.

Añaden que esta metodología podría usarse, por ejemplo, para conectar computadoras cuánticas superconductoras a grandes distancias.

También que este resultado se puede utilizar asimismo en criptografía, por ejemplo, para demostrar que la información se transmite realmente en forma cifrada, explica Simon Storz, primer autor de la nueva investigación, en un comunicado.

Referencia

Loophole-free Bell inequality violation with superconducting circuits. Simon Storz et al. Nature, volume 617, pages 265–270 (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-05885-0