Una nueva investigación ha detectado por primera vez pulsos de microondas aprovechando la coherencia cuántica de un sistema, consiguiendo así una ventaja cuántica imposible de lograr en dispositivos clásicos. Un impulso a la computación cuántica, la detección de ruidos y la criptografía cuántica.
Una investigación desarrollada en la Universidad finlandesa de Aalto ha utilizado la mecánica cuántica para, metafóricamente, ver algo sin mirarlo.
Se trata del desarrollo de una paradoja cuántica que tiene que ver con algo tan esencial para la ciencia como la medición y que será práctico para, por ejemplo, mejorar la computación cuántica.
El punto de partida de este desarrollo es conseguir algo aparentemente imposible que podemos comprender mejor con un ejemplo.
Imaginemos que tenemos una cámara fotográfica analógica que contiene una película para tomar fotos, pero no recordamos si la hemos usado o no, es decir, no sabemos si podemos tomar más fotos.
Herramienta cuántica
El problema radica en que la película es tan sensible a la luz que, si la exponemos para ver su contenido, quedaría destruida y perderíamos la posibilidad no solo de obtener nuevas fotos, sino también de recuperar los recuerdos gráficos archivados.
Si fuéramos a un especialista para salir de dudas, y si tuviera una herramienta cuántica, podría averiguar el estado de la película fotográfica sin necesidad de exponerla a la luz. Podríamos ver su contenido sin mirarlo.
Es decir, esa herramienta cuántica sería capaz de medir el contenido del carrete sin utilizar fotones de luz, que incluso en la mecánica cuántica tienen un efecto pernicioso: cuando iluminan a una partícula, modifican su estado y nos impiden verla cómo es realmente cuando no la miramos. Nunca podemos conocerla antes del impacto lumínico.
De láseres a microondas
El Premio Nobel de Física de este año, Anton Zeilinger, había conseguido este efecto trabajando con láseres y espejos. La nueva investigación, desarrollada por Shruti Dogra, John J. McCord y Gheorghe Sorin Paraoanu, ha conseguido el mismo resultado trabajando con microondas y superconductores.
De láseres a microondas
El Premio Nobel de Física de este año, Anton Zeilinger, había conseguido este efecto trabajando con láseres y espejos. La nueva investigación, desarrollada por Shruti Dogra, John J. McCord y Gheorghe Sorin Paraoanu, ha conseguido el mismo resultado trabajando con microondas y superconductores.
Este equipo ha descubierto una forma nueva y mucho más efectiva de llevar a cabo experimentos sin interacción, lo que profundiza un poco más en la conexión, todavía misteriosa, entre los mundos clásico y cuántico.
Para conseguirlo, el equipo utilizó un cúbit (o bit cuántico) específico de la computación cuántica llamado transmon: es un circuito superconductor creado en 2007 que, a pesar de ser relativamente grande (un tamaño más propio de la física clásica), adopta un comportamiento cuántico.
Pulsos de microondas
Ese comportamiento cuántico permite a un transmon detectar la presencia de pulsos de microondas generados por instrumentos clásicos, según explican estos investigadores en un artículo que publican en la revista Nature Communications.
Siguiendo con nuestro ejemplo de la cámara fotográfica, podemos decir que, en vez de exponer el rollo fotográfico a la luz, lo que consigue este sistema es averiguar lo que contiene la película utilizando pulsos de microondas.
Estos pulsos de microondas permiten detectar objetos en el espacio, de la misma forma (metafóricamente) que un radar utiliza ondas electromagnéticas para detectar objetos, tanto estáticos como móviles.
Nuevo nivel complejidad
Este desarrollo supuso llevar a un nuevo nivel de complejidad el experimento de Zeilinger: los investigadores tuvieron que cambiar el protocolo estándar de interacción añadiendo la capa cuántica que aporta el transmon.
Y luego tuvieron que recurrir a la coherencia cuántica del sistema para detectar los pulsos de microonda y averiguar, según el ejemplo de la cámara fotográfica, que la película estaba intacta y que podíamos seguir usándola sin problemas.
La coherencia cuántica se refiere a la prolongación en el tiempo de un efecto cuántico como la superposición de estados: si recordamos al famoso gato de Schrödinger, que está vivo y muerto a la vez, la coherencia cuántica es el tiempo que pasa mientras está en esa superposición ambigua.
Sin embargo, la coherencia cuántica es delicada y colapsa fácilmente, decidiendo de pronto si el gato lo vemos vivo o muerto, pero estos investigadores comprobaron que funciona bien para detectar pulsos de microondas y que sus resultados son coherentes con los modelos teóricos.
Ventaja cuántica
Incluso observaron que el protocolo que habían desarrollado es eficaz para detectar de manera eficiente pulsos de microondas de muy baja potencia, por lo que consideran que estos dispositivos cuánticos pueden lograr resultados que son imposibles para los dispositivos clásicos, un fenómeno conocido como ventaja cuántica.
Generalmente se piensa que lograr una ventaja cuántica requiere ordenadores cuánticos con muchos cúbits, pero este experimento alcanzó una ventaja cuántica genuina utilizando una configuración relativamente más simple.
Son buenas noticias para potenciales aplicaciones tecnológicas, ya que las mediciones sin interacción basadas en este protocolo mejorarán la eficiencia de procesamiento de imágenes ópticas, detección de ruido y distribución de claves criptográficas.
También podría, hipotéticamente según los investigadores, facilitar la comunicación contrafactual (comunicación entre dos partes sin que se transfiera ninguna partícula física) y la computación cuántica contrafactual (en la que el resultado de un cálculo se obtiene sin necesidad de ejecutar el ordenador cuántico), ahondando así en los misterios de las posibilidades cuánticas.
