Gran pas cap a l'internet quàntic: més potent i segur amb el fotó missatger

Dos cristalls compostos per un element químic anomenat praseodimi, separats deu metres. Un fotó que és en un dels cristalls, però que no se sap en quin. I dues memòries quàntiques entrellaçades.

Un seguit de frases que al profà en la matèria segur que li diuen poca cosa o que fins i tot l'incitaran a no seguir llegint, però que descriuen un nou pas en la revolució de les telecomunicacions i un gran avenç cap a l'anomenat internet quàntic, molt més segur i potent.

En concret, el que han aconseguit investigadors de l'ICFO (Institut de Ciències Fotòniques) és entrellaçar, per primera vegada, dues memòries quàntiques separades per més de deu metres i situades a dos laboratoris diferents. El sistema podria integrar-se a la xarxa de comunicació tradicional per fibra òptica, i aplanar així el camí per operar a llargues distàncies.

L'equip de l'ICFO l'integren Dario Lago, Samuele Grandi, Alessandro Seri i Jelena Rakonjac, dirigits pel professor ICREA a l'ICFO Hugues de Riedmatten. La recerca es publica a la revista Nature, on té l'honor d'ocupar la portada d'aquesta setmana.

Les memòries quàntiques juguen el paper que en les telecomunicacions clàssiques tenen els repetidors, que milloren els senyals atenuats i permeten que viatgin a distàncies més llargues. Amb els satèl·lits, s'han pogut evitar muntanyes i saltar entre continents per arribar a qualsevol lloc del món.

En el camí cap al futur internet quàntic, els repetidors són les memòries quàntiques, que són, juntament amb les fonts generadores de qubits o bits quàntics, els components bàsics d'aquests sistemes de comunicació.

Els investigadors van preparar l'experiment durant mesos. Com a memòries quàntiques van utilitzar uns cristalls dopats amb praseodimi, un element químic del grup de les terres rares.

També van utilitzar dues fonts generadores de parells de fotons --les partícules de llum. A cada parell de fotons n'hi havia un anomenat "missatger", amb una longitud d'ona dins de la franja de les telecomunicacions, i un altre anomenat "senyal", amb una longitud d'ona molt més curta.

Fotons missatgers i coloms missatgers

I aquí començava l'experiment en si. Els fotons senyal es van enviar a una memòria quàntica, formada per milions d'àtoms col·locats aleatòriament dins d'un vidre, i s'hi van emmagatzemar.

Al mateix temps, els fotons missatgers es van enviar a través d'una fibra òptica a un dispositiu anomenat divisor de feix, on es va esborrar del tot la informació sobre la seva trajectòria, per no saber-ne res sobre el seu origen.

Un fotó missatger, expliquen de forma molt gràfica els investigadors, és com un colom missatger: quan arriba, els científics poden saber que s'ha establert l'entrellaçament entre les memòries quàntiques. Aleshores, aquest entrellaçament s'emmagatzema en les memòries abans de ser analitzat.

Però cal tenir en compte les peculiaritats del món quàntic, com expliquen Dario Lago i Samuele Grandi:

"El més curiós de l'experiment és que no era possible saber si el fotó estava emmagatzemat a la memòria quàntica del laboratori 1 o del laboratori 2, que estaven a més de 10 metres de distància. Tot i que aquesta és la característica principal del nostre experiment, i per tant des del principi esperàvem que passés alguna cosa, els resultats al laboratori van confirmar-se contraris a la intuïció. I encara més peculiar i al·lucinant per a nosaltres, vam ser capaços de controlar-los!"

Perquè la mecànica quàntica té unes característiques sorprenents que precisament per això fan possible que obri un món nou per a les telecomunicacions i la informàtica. Una partícula pot estar en dos llocs alhora o pot travessar tranquil·lament, per dir-ho en el llenguatge del món quotidià, una muntanya i aparèixer a l'altre costat sense deixar cap signe d'haver perforat la roca.

Per això, obre noves possibilitats en informàtica. En l'ordinador quàntic ja no hi hauria només dues possibilitats com en els bits usuals, 0 i 1, sinó una superposició de diversos estats, perquè la partícula es podria trobar simultàniament en tots.

Aplicacions en telecomunicacions

En aquest experiment, l'equip sabia que el fotó era en una de les dues memòries, però no sabien en quina. Estava en un estat de superposició quàntica en les dues memòries alhora.

No intentem comprendre els detalls d'uns fets que van contra la nostra intuïció i la nostra experiència diària. Deixem que els investigadors ens portin. El que van aconseguir va ser emmagatzemar, durant un màxim de 25 microsegons, un únic fotó entre dues memòries quàntiques separades entre elles per 10 metres de distància.

Així ho valora Darío Lago, estudiant de doctorat a l'ICFO i primer coautor de l'estudi:

"Fins ara, altres grups ja havien aconseguit algunes de les fites aconseguides en aquest experiment, com entrellaçar memòries quàntiques o emmagatzemar-hi fotons amb una eficiència i taxa d'entrellaçament elevades. Però la singularitat d'aquest experiment és que les nostres tècniques ho han aconseguit de manera conjunta i eficient, i que el sistema podria arribar a estendre's a grans distàncies".

També cal destacar que el fotó missatger estigués en la freqüència de les telecomunicacions, perquè demostra que l'entrellaçament es podria establir amb un fotó compatible amb les xarxes de telecomunicacions existents.

I això permetria crear entrellaçaments a llargues distàncies i que aquestes tecnologies quàntiques s'integressin fàcilment a les xarxes i infraestructures clàssiques de telecomunicacions ja existents.

L'emmagatzematge es va produir de manera múltiplex, una tècnica que permet enviar diversos missatges simultàniament per un sol canal de comunicació.

En les telecomunicacions clàssiques, el múltiplex s'utilitza sovint per transmetre dades a través d'internet, però en els repetidors quàntics, aquesta tècnica és una mica més complexa. En aquest cas s'ha aconseguit a través del protocol AFC (pinta de freqüència atòmica).

La idea la van concebre fa deu anys, i el professor Hugues de Riedmatten ja pensa en el futur immediat:

"Els següents passos seran portar l'experiment fora de laboratori, per intentar vincular diferents nodes, i distribuir l'entrellaçament a distàncies molt més grans, més enllà del que hem aconseguit ara. De fet, estem en procés d'aconseguir el primer enllaç quàntic de 35 quilòmetres, que es farà entre Barcelona i l'ICFO, que és a Castelldefels".

I així, pas a pas, s'anirà fent camí cap a l'internet quàntic, que serà molt més segur que l'actual, perquè les comunicacions entre nodes estaran protegides per claus quàntiques, molt més difícils d'identificar i trencar que les actuals.

També permetrà distribuir càlculs i processar dades entre diversos ordinadors quàntics, molt més segurs i potents que els actuals.

Però això encara queda molt lluny. Haver entrellaçat dues memòries separades deu metres ja ha estat un gran fita. En queden unes quantes més en el peculiar món subatòmic.