Potente impulso a la computación cuántica y la criptografía

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El entrelazamiento cuántico funciona mejor en circuitos superconductores de cientos de micrómetros de tamaño y que operan en frecuencias de microondas: conocidos como objetos cuánticos macroscópicos, estos podrían usarse para hacer computadoras cuánticas.

Una nueva investigación del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich (ETH Zúrich) ha confirmado que el entrelazamiento cuántico funciona mucho mejor en circuitos eléctricos macroscópicos y, por lo tanto, los circuitos superconductores pueden entrelazarse a grandes distancias.

Este descubrimiento abre posibles aplicaciones en el campo de la computación cuántica distribuida y la criptografía cuántica, subrayan los autores de esta investigación en un artículo publicado en la revista Nature.

El entrelazamiento cuántico es una extraña habilidad que tienen las partículas elementales para mantener un vínculo inexplicable, incluso si están separadas entre sí por cientos de kilómetros.

controversia inicial

El entrelazamiento cuántico, que Einstein llamó aterrador, fue originalmente un tema controvertido en la física porque invalida el llamado «principio de localidad», que dice que algo que sucede en un lugar no debe afectar a otro objeto que está en otro lugar.

En 1964, el físico irlandés John Bell formuló un metateorema para probar o refutar si el entrelazamiento cuántico era o no una predicción correcta.

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

Il a été décerné (de manière partagée) à l’éminent physicien français Alain Aspect, pour avoir vérifié de manière convaincante que deux particules lumineuses «intriquées» s’affectent, instantanément, encore et encore, même si elles sont très éloignées l’une del otro.

Cambiar a superconductores

La nueva investigación ahora ha ido más allá en la exploración del entrelazamiento cuántico y descubrió por primera vez que funciona muy bien en circuitos superconductores.

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

Los circuitos electrónicos, de varios cientos de micrómetros de tamaño, están hechos de materiales superconductores y funcionan a frecuencias de microondas: se denominan objetos cuánticos macroscópicos.

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

Además, proporcionan una confirmación adicional de la mecánica cuántica (en línea con lo que habían hecho Aspect y otros), y muestran que el entrelazamiento se puede usar en superconductores y construir computadoras cuánticas con ellos.

cero absoluto

El experimento que sustentaba estas posibilidades era complicado: debía realizarse en un vacío cercano al cero absoluto y requería 1,3 toneladas de cobre y 14.000 tornillos.

Pudo establecer que la distancia más corta para un entrelazamiento cuántico exitoso 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 inicio 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.

Los generadores de números aleatorios luego deciden qué mediciones se realizan en los dos circuitos como parte de la prueba. Luego se comparan los resultados de medición de 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 logra con esta configuración experimental.

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

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

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

Referencia

Violación de la desigualdad de Bell sin escape con circuitos superconductores. Simón Storz et al. Nature, volumen 617, páginas 265-270 (2023). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05885-0

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