La próxima generación de Internet se basará en una nueva tecnología revolucionaria, lo que permitirá redes e información no pirateadas que viajen más rápido que la velocidad de la luz.
por Dan Hurley
Llámalo el jardín cuántico del Edén. A unos cincuenta kilómetros al este de la ciudad de Nueva York, en el campus del Laboratorio Nacional de Brookhaven, Eden Figueroa es uno de los jardineros pioneros del mundo que planta las semillas de una Internet cuántica. Capaz de enviar enormes cantidades de datos a grandes distancias, funcionaría no solo más rápido que la Internet actual, sino más rápido que la velocidad de la luz, instantáneamente, de hecho, como la teletransportación del Sr. Spock y el Capitán Kirk en Star Trek.
Sentado en la luminosa cafetería de Brookhaven, su cabello negro hasta los hombros luchando por liberarse de las garras de una cola de caballo, Figueroa, un nativo de México que es profesor asociado en la Universidad de Stony Brook, trata de explicar cómo funcionará. Agarra dos tapas de plástico para tazas de café, un salero, un pimentero y una taza pequeña de agua, y comienza a moverlos por la mesa del almuerzo como un mago con cartas.
“Voy a tener un detector aquí y un detector aquí”, dice, señalando las dos tapas. “Ahora hay muchas posibilidades. O esos dos entran aquí ”- señala al salero -“ o los dos entran allí ”, señalando con la cabeza el vaso de agua. “Y luego, dependiendo de lo que pasó allí, ese será el estado”, dice, sosteniendo el pimentero negro, “que estoy preparando aquí”.
¿Lo tengo? Yo tampoco. Pero no se preocupe. Solo unos pocos cientos de físicos en los EE. UU., Europa y China realmente comprenden cómo explotar algunos de los aspectos más extraños y lejanos de la física cuántica. En esta extraña arena, los objetos pueden existir en dos o más estados al mismo tiempo, llamados superposiciones; pueden interactuar entre sí instantáneamente a largas distancias; pueden aparecer y desaparecer. Científicos como Figueroa quieren aprovechar ese comportamiento extraño y convertirlo en un Internet funcional de la nueva era, uno, dicen, que será férreo para enviar mensajes seguros, impermeable a la piratería.
Figueroa dice que su grupo ya ha transmitido lo que llamó “estados de polarización” entre los campus de Stony Brook y Brookhaven utilizando infraestructura de fibra, lo que suma 85 millas. Kerstin Kleese van Dam, directora de la Iniciativa de ciencia computacional de Brookhaven Lab, dice que es “una de las redes cuánticas más grandes del mundo y la más larga de los Estados Unidos”.
A continuación, Figueroa espera teletransportar sus mensajes cuánticos a través del aire, a través de Long Island Sound, a la Universidad de Yale en Connecticut. Luego quiere ir 50 millas al este, utilizando cables de fibra óptica existentes para conectarse con Long Island y Manhattan.
Eden Figueroa (derecha) ha trabajado durante varios años en tecnología que ampliaría la distancia que las partículas cuánticas pueden viajar y aún estar enredadas. Aquí Figueroa y los investigadores Mehdi Namazi (izquierda) y Mael Flament (centro), parte de su equipo en la Universidad de Stony Brook en 2018, están detrás de un prototipo de tecnología que es impermeable a la piratería. (Crédito: Universidad de Stony Brook)
Kleese Van Dam dice que aunque otros grupos en Europa y China tienen más financiamiento y han estado trabajando mucho más en la tecnología, en los EE. UU. “[Figueroa] es líder cuando se trata de tener el conocimiento y el equipo necesarios para armar un red en el próximo año o dos “.
David Awschalom, una leyenda en el campo que es profesor de espintrónica e información cuántica en la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago y director del Chicago Quantum Exchange, califica el trabajo de Figueroa como “un proyecto fantástico que se está haciendo muy cuidadosamente y muy bien. Siempre soy cauteloso al decir que algo es lo más grande o lo más rápido ”, dice. “Es un esfuerzo mundial en este momento para construir prototipos de redes cuánticas como el siguiente paso hacia la construcción de una Internet cuántica”. Otros esfuerzos para construir redes cuánticas, dice, están en marcha en Japón, el Reino Unido, los Países Bajos y China, sin mencionar el proyecto de su propio grupo en Chicago.
Los esfuerzos estadounidenses se han visto impulsados últimamente por el anuncio del Departamento de Energía de Estados Unidos en enero de que gastaría hasta $ 625 millones para financiar de dos a cinco centros de investigación cuántica. La medida es parte de la Iniciativa Nacional Cuántica de EE. UU. Promulgada por el presidente Donald Trump el 21 de diciembre de 2018.
Pero, ¿qué es, en realidad, esto que se llama Internet cuántica? ¿Como funciona? Figueroa, embelesado por su visión, me contó su plan con contagioso entusiasmo, riendo a veces como si todo fuera tan simple que un niño (o incluso un estudiante de inglés) pudiera entenderlo. Sin querer decepcionar, asentí con la cabeza y fingí que sabía de qué diablos estaba hablando.
Y, después de pasar dos días con Figueroa el verano pasado, seguirlo por el campus de Brookhaven y el cercano Stony Brook, ver de primera mano su equipo futurista, hablar con otros físicos de todo el mundo, leer algunos libros y leer decenas de artículos. y estudios, comencé a entenderlo. No en todas sus inquietantes profundidades, sino en la forma general en que entiendo cómo funciona un motor de combustión interna o por qué se descarga la taza del inodoro. Y tú también puedes.
Desenredar el enredo
Llevándome a la trastienda de su laboratorio en Stony Brook, donde dirige el grupo de tecnología de la información cuántica, Figueroa me muestra una gran mesa cubierta con un laberinto de pequeños espejos, láseres y electrónica. “Aquí es donde creamos estos fotones que llevan superposiciones”, dice, “que luego podemos enviar a la fibra. ¿De acuerdo? Es muy sencillo.”
Correcto.
Curiosamente, todas las implicaciones de la Internet cuántica se remontan a un experimento tan sencillo que puedes hacerlo en tu sala de estar. Llamado el experimento de la doble rendija, fue realizado por primera vez hace más de 200 años por el erudito británico Thomas Young.
Al dirigir un haz de luz a un panel plano de material cortado con dos rendijas una al lado de la otra, Young vio que la luz que pasa a través de las rendijas creaba un patrón de interferencia de bandas oscuras y brillantes en una pantalla detrás del panel. Solo las ondas (ondas de luz) que emanan de las dos rendijas podrían formar tal patrón. Young concluyó que Isaac Newton, que publicó una teoría de partículas de luz en 1704, estaba equivocado. La luz venía en ondas, no en partículas.
Pero a principios del siglo XX, los científicos habían confirmado que la luz también venía en partículas, lo que el físico Gilbert N. Lewis llamó fotones o cuantos. E increíblemente, los investigadores encontraron que incluso cuando se enviaban fotones de luz individuales volando uno a la vez en el panel de doble rendija, el patrón de interferencia seguía apareciendo en el otro lado. Se dieron cuenta de que cada partícula era también una onda, que se extendía como un chorrito de queso crema y, por lo tanto, atravesaba ambas rendijas simultáneamente, interfiriendo así con … ella misma en el otro lado.
Piense en eso. Una sola partícula de luz estaba en dos lugares a la vez. Eso significaba que hacer cosquillas a una partícula en un lugar debería hacerla reír en el otro. Observarlo en un lugar debería revelar algo sobre su gemelo. Erwin Schrödinger llamó al fenómeno entrelazamiento, precisamente lo que Figueroa y otros investigadores están aprovechando ahora para enviar información. En pocas palabras, agregar información, como un mensaje o datos, a una partícula en una ubicación hará que los datos aparezcan en la otra ubicación: la esencia de la teletransportación.
Pero, le pregunto a Figueroa, ¿cómo funcionan todas estas ideas locas en la práctica, con tuercas y tornillos y dispositivos físicos?
“Déjame mostrarte dónde ocurre la magia”, dice.
Gracias por los Quantum Memories
“Es solo equipo y óptica”, me dice, señalando una serie de láseres y espejos configurados en una mesa grande. “Esto es lo que la gente llama Lego para adultos”. En un extremo, un láser apunta fotones azules de alta energía a un cristal, que rompe cada uno en un par de fotones rojos de menor energía; cada uno de los dos fotones rojos resultantes está ahora entrelazado con el otro. Figueroa señala el camino que toman los fotones de espejo en espejo. “Hacen boop, boop, boop, boop, boop-boop-boop-boop. Es por eso que tenemos este hermoso sistema. En realidad, esto está funcionando. Esto es hermoso ”, dice.
Una vez enredado, un fotón rojo se envía a una corta distancia a un detector en el laboratorio de Figueroa al final del pasillo, mientras que el otro se puede enviar a una docena de millas de distancia a un detector en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Las diferentes distancias harían que los tiempos de llegada de los dos fotones se desincronizaran ligeramente, lo que interrumpiría su entrelazamiento. Para evitar eso, Figueroa tuvo que encontrar una manera de coordinar los tiempos de llegada de cada uno hasta el sub-nanosegundo.
¿Pero cómo? Otros laboratorios cuánticos congelan los fotones que se quedan en casa hasta casi el cero absoluto como una forma de pisar el freno. La innovación de Figueroa, por el contrario, funciona a temperatura ambiente: un tubo de vidrio de una pulgada de largo que contiene una niebla de billones de átomos de rubidio. Esa primera mañana cuando visito el laboratorio de Figueroa, me pone uno de estos tubos en la mano.
“¿Qué es?” Yo le pregunto.
Él sonríe y dice: “Una memoria cuántica”.
Cuando estaba cursando su doctorado en la Universidad de Konstanz en Alemania, me cuenta Figueroa, le había preguntado a su profesor si sería posible construir un sistema que funcionara a temperatura ambiente sin congeladores costosos y complejos.
“No lo creo”, le dijeron. “Pero demuéstrame que estoy equivocado”.
Así que lo hizo. Al hacer rebotar fotones en una serie de espejos cuidadosamente colocados y bombardear una niebla de átomos de rubidio con una red de láseres, Figueroa descubrió que podía sintonizar las longitudes de onda de los fotones entrelazados para transmitir una señal que los electrones en la niebla de rubidio podrían recibir. ¡Voila! El estado entrelazado del fotón se transfiere, momentáneamente, a toda la nube de átomos. Una fracción de un nanosegundo más tarde, el fotón entrelazado avanza y llega al detector en el mismo momento que su gemelo.
Increíblemente, desde que completó su doctorado en 2012, igueroa ha miniaturizado todo el sistema para almacenar memorias cuánticas en un dispositivo portátil más pequeño que una maleta de mano, lo suficientemente pequeño como para montarlo en un rack ordinario de servidores de computadora en un centro de datos, una innovación crucial. si una internet cuántica alguna vez se generalizará. Como me dice su colega y colaborador Dimitrios Katramatos ese mismo día: “Son portátiles, ¿verdad? Entonces, un día cargamos algunos de ellos en una camioneta y los llevamos de Stony Brook a Brookhaven “.
“Conducía la camioneta de su esposa”, dice Figueroa riendo. “Desde que lo llamamos Quantum Van”.
Intercambio de enredos
Sin embargo, queda otro problema, uno que ni Figueroa ni Katramatos (ni ningún otro ingeniero cuántico en el mundo) han descubierto por completo hasta ahora: cómo transmitir con éxito fotones entrelazados cuánticamente a través de cables de fibra óptica más allá de una barrera que aparece alrededor de los 60. -Milla de la milla. Más allá de él, los fotones interactúan involuntariamente con el cable, su carcasa o incluso la luz solar desde la superficie, destruyendo así su enredo.
La solución propuesta, explica Figueroa, es algo llamado “intercambio de entrelazamientos”. Y los ingenieros cuánticos de todo el mundo están compitiendo para aplicar el concepto a un prototipo funcional.
“La idea ha existido durante 20 años”, dice Mikhail Lukin, un destacado teórico y experimentalista cuántico de la Universidad de Harvard. “Hasta ahora, nadie ha logrado construir uno capaz de ser utilizado en una aplicación práctica. Hasta donde tengo entendido, eso es lo que el grupo de [Figueroa] está tratando de hacer ”.
Para explicar su plan, Figueroa me lleva a una pequeña sala de reuniones, donde lo tiene todo trazado en una pizarra.
“Déjame mostrarte algo realmente genial”, dice.
En lugar de crear solo un par de fotones entrelazados y tratar de enviarlo a un laboratorio a 100 millas de distancia, explica, se crea un segundo conjunto de pares entrelazados en dos subestaciones diferentes ubicadas en las marcas de 25 millas y 75 millas. Estas subestaciones dispararán un fotón del par entre sí y el otro hacia el más cercano de los dos laboratorios. Cuando un fotón de cada uno de los dos pares se encuentra en la marca de las 50 millas, se enredarán, enredando automáticamente los otros fotones restantes en los laboratorios distantes. Una vez que se ha compartido este enredo, la información que Figueroa quería enviar puede ser teletransportada al laboratorio a 100 millas de distancia, superando la barrera.
“¿Lo ves?” dice con encantador entusiasmo. “Fácil.”
El futuro cuántico
¿Y qué hay de teletransportar no solo información, no solo mensajes, sino también partículas, moléculas, células o el Capitán Kirk? Cuando se informó de la primera demostración experimental de entrelazamiento en diciembre de 1997, el físico de IBM Charles H. Bennett le dijo a The New York Times: “Sería absolutamente imposible hacerlo incluso en algo tan pequeño como una bacteria”. (Bennett, debe señalarse, había acuñado el término teletransportación cuántica cuatro años antes, por lo que uno pensaría que estaría en lo cierto).
Pero 21 años después, en el otoño de 2018, los investigadores de la Universidad de Oxford informaron exactamente lo que Bennett había dicho que era “absolutamente imposible”: el entrelazamiento de una bacteria viva con un fotón de luz. Sin embargo, no todos los físicos fueron persuadidos por los hallazgos, basados en el análisis del equipo de Oxford del experimento de otro grupo. Pero nadie sabe hasta dónde llegará la revolución cuántica, y ciertamente no Figueroa.
“Muchas de las cosas que harán estos dispositivos, todavía estamos tratando de resolverlas”, me dice. “Por el momento, solo estamos tratando de crear tecnología que funcione. Aún quedan por descubrir los alcances realmente lejanos de lo que es posible “.about:blankabout:blank
Antes de dejarlo, le pregunto a Figueroa cómo sus amigos, familiares y vecinos intentan entender su obra críptica. Me cuenta una historia sobre su suegro. Cuando Figueroa estaba realizando una investigación postdoctoral en Alemania, el padre de su esposa vino de visita. Después de darle un recorrido de dos horas por el laboratorio, Figueroa le preguntó qué pensaba de todo esto.
“No entendí una palabra de lo que dijiste allí”, dijo su suegro, “pero sé que es lo más asombroso que he visto”.
Podría sentir empatía. Así me sentí antes de visitar a Figueroa, interrogarlo repetidamente por teléfono y leer sus artículos con títulos extravagantes como ” Una memoria cuántica de un solo átomo ” y ” Memoria cuántica para luz exprimida “. Pero después de todo eso, todo empezó a tener sentido para mí. Y espero que ahora también lo haga para usted.
Más o menos.
3 sencillos pasos para construir una Internet cuántica de bricolaje
Paso 1. Para construir una Internet cuántica, comienza entrelazando dos fotones para que se comporten como una sola unidad, sin importar lo lejos que estén separados. Pan comido. Para hacer esto, tome un fotón azul de alta energía, generado por un láser, y póngalo a través de un cristal que divide el fotón en dos fotones rojos de menor energía. Ahora esos fotones están permanentemente entrelazados. Algo así como Brad Pitt y Angelina Jolie, enredados hasta el final de los tiempos como Brangelina. Ahora sigue adelante y envía uno de esos fotones a tu amigo, Steven Spielberg, y quédate el otro para ti.about:blankabout:blank
¿A cuál enviaste, Brad o Angelina? Hasta que Spielberg mire por su mirilla para ver quién está al otro lado de la puerta, ambos tienen una probabilidad aleatoria de 50-50 de ver a uno u otro. En el mundo cuántico, todo existe en un borrón estadístico. Pero está bien, porque Brad y Angelina son solo tu conducto para enviar información de uno a otro.
Paso 2.Para enviar un mensaje significativo de Brad a Angelina, necesita un tercer fotón. Llamemos a esta Jennifer Aniston. Pon a Jennifer a través de un polarizador, como los lentes polarizados que se usan en las gafas de sol, para colocar su polo atómico en una posición particular en los ejes vertical y horizontal. Esto le da un bit cuántico, o qubit, que puede ser un 0 o un 1 al mismo tiempo. Al igual que los 0 y 1 de los datos digitales, los qubits se pueden unir para codificar cualquier mensaje que desee enviar, por ejemplo, el guión de una nueva película.
Paso 3. ¡Ya casi has terminado! Ahora necesitas entrelazar el qubit llamado Jennifer con el fotón llamado Brad, al que te has aferrado desde que enviaste a Angelina a Spielberg. Para hacer eso, coloque tanto a Jennifer como a Brad en un divisor de haz. Cuando lo haces, Jennifer se enreda no solo con Brad, sino también con Angelina, en virtud de la conexión preexistente con Brangelina. Los tres están enredados entre sí.
Ahora entienda esto: debido a que los fotones son tan sensibles, el mero hecho de medirlos (para asegurarse de que de hecho están enredados) los destruye. Entonces, tanto Brad como Jennifer desaparecen en tu laboratorio. Pero espera: Spielberg todavía tiene a Angelina. Y Angelina sigue enredada con la información que tenía Jennifer. Esto significa – ¡ta da! – La información que Jennifer llevaba ahora ha sido teletransportada, instantáneamente, al fotón de Spielberg.
¡Lo hiciste! Ahora solo puedes esperar que Spielberg recuerde agradecerte en los Oscar. – DH
