Teletransporte cuántico de cubits en iones de iterbio (one meter, matter, quantum teleportation)

Los computadores cuánticos no son una utopía, serán una realidad. El avance es lento pero seguro. El entrelazamiento cuántico es la clave para uno de los fenómenos más misteriosos de la mecánica cuántica: el teletransporte (del estado) cuántico (quantum teleportation). Dos fotones entrelazados están «conectados» de tal forma que medir el estado de uno de ellos automáticamente nos da el estado del otro, aunque estén separados a una distancia enorme (mucho mayor de la necesaria para que una «señal oculta» se propague a la velocidad de la luz y los comunique entre sí). En el teletransporte cuántico se transfiere el estado cuántico de un sistema a otro. Propuesto en 1993, se demostró experimentalmente con fotones en 1997. El teletransporte cuántico es fundamental para el desarrollo de los futuros ordenadores cuánticos. «Teletransportar fotones» parece fácil, ¿pero se puede hacer con átomos? Sí, el año pasado se logró con iones pero a distancias muy pequeñas. Físicos norteamericanos de las Universidades de Maryland y Michigan han logrado teletransportar cuánticamente el estado de dos iones de iterbio (símbolo químico Yb, número atómico 70) separados una distancia de 1 metro. Nos lo cuentan M. S. Kim and Jaeyoon Cho, «Teleporting a Quantum State to Distant Matter,» Science 323: 469-470, 23 January 2009 , quienes nos comentan el artículo técnico de S. Olmschenk, D. N. Matsukevich, P. Maunz, D. Hayes, L.-M. Duan, C. Monroe, «Quantum Teleportation Between Distant Matter Qubits,» Science 323: 486-489, 23 January 2009 .

El teletransporte cuántico no es como en las películas, ni tampoco permite transmitir señales más rápido que la velocidad de la luz, sino violaría la teoría de la relatividad. Por ello, el teletransporte cuántico requiere que cierta información «clásica» se transfiera a través de un canal de comunicación clásico, lo que está limitado por la velocidad de la luz. Pero también requiere un canal de comunicación cuántico por el que se transfieren estados entrelazados, canal que no tiene ninguna restricción relativista.

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El procedimiento utilizado por estos físicos norteamericanos ha sido el siguiente. Emilio (el emisor) y Raúl (el receptor) tienen cada uno un ión de iterbio(Yb+) que han almacenado independientemente en dos trampas de átomos separadas por un 1 metro. Emilio (abajo) utilizando un pulso de microondas prepara su ión en un estado cuántico tipo cubit (a|0>+ b|1>) compuesto de dos niveles de energía electrónica. Esta será la información cuántica que se teletransportará. Raúl (arriba) prepara con otro pulso de microondas su ión en un estado de superposición conocido (pongamos |0>+|1>). Sendos pulsos láser ultrarrápidos ponen cada ión en un estado excitado (parte izquierda de la figura, transición de un nivel bajo S hasta un nivel alto P). Los iones desde el estado excitado emiten un fotón cuya energía (color azul o rojo) depende del nivel energético que tenían antes de ser excitados por el láser. Tras esta emisión del fotón vuelven a sus estados iniciales (sea |0> o sea |1>). Estos fotones emitidos están entrelazados con el estado del ión respectivo. Ambos fotones se envían por fibra óptica (FO, 2 metros) hasta un divisor de haz (DH) donde se mezclan y son medidos de forma conjunta. Esta medida «convierte» el entrelazamiento ión-fotón a un entrelazamiento ión-ión (interatómico) que será la clave del teletransporte. Tras el divisor de haz los fotones se dirigen a dos tubos fotomultiplicadores (TFM) donde serán medidos. Para finalizar, Emilio realiza una medida del estado de su ión, que puede dar como resultado |0> o |1>. Esta medida de Emilio es la que hace efectivo el teletransporte siempre y cuando los tubos fotomultiplicadores (TFM) detecten un par de fotones del mismo color. En dicho caso, el estado cuántico del ión de Raúl será idéntico al preparado por Emilio, o sea a|0>+ b|1>. Si se detectan fotones de diferente color el teletransporte no se habrá producido.

El teletransporte cuántico puede parecer poco espectacular, comparado con el teletransporte cinematográfico, sin embargo, es una operación clave en el desarrollo de los futuros ordenadores cuánticos. El cableado en estos ordenadores  no será fácil sin utilizar el teletransporte cuántico.

PS (26/ene/2009): Noticia en prensa «Teletransportan por primera vez información entre dos átomos separados,» José Manuel Nieves, ABC, 24-01-2009 . Visto en Menéame.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 24 enero, 2009
Categoría(s): ✓ Ciencia • Computación cuántica • Física • Mecánica Cuántica • Physics • Science
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