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‘Internet cuántica’ se acerca con avances en teletransportación de datos

Desde Santa Bárbara, California hasta Hefei, China, los científicos están desarrollando un nuevo tipo de computadora que hará que las máquinas actuales parezcan juguetes.

Aprovechando los poderes misteriosos de la mecánica cuántica, la tecnología realizará tareas en minutos que incluso las supercomputadoras no pudieron realizar durante miles de años. En el otoño de 2019, Google presentó una computadora cuántica experimental que demostraba que era posible. Dos años más tarde, un laboratorio en China hizo lo mismo.

Pero la computación cuántica no alcanzará su potencial sin la ayuda de otro avance tecnológico. Llámelo «internet cuántico»: una red informática que puede enviar información cuántica entre máquinas distantes.

En la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, un equipo de físicos ha dado un paso importante hacia esta red informática del futuro, utilizando una técnica llamada teletransportación cuántica para enviar datos a través de tres ubicaciones físicas. Anteriormente, esto era posible con sólo dos.

El nuevo experimento indica que los científicos pueden extender una red cuántica sobre un número cada vez mayor de sitios. “Actualmente estamos construyendo pequeñas redes cuánticas en el laboratorio”, dijo Ronald Hanson, el físico de Delft que supervisa el equipo. «Pero la idea es eventualmente construir una Internet cuántica».

Su investigación, revelada esta semana con un artículo publicado en la revista científica Nature, demuestra el poder de un fenómeno que Albert Einstein alguna vez consideró imposible. La teletransportación cuántica, lo que él llamó «una acción aterradora a distancia», puede transferir información entre ubicaciones sin mover la materia física que la contiene.

Esta tecnología podría cambiar profundamente la forma en que los datos viajan de un lugar a otro. Se basa en más de un siglo de investigación sobre la mecánica cuántica, un área de la física que gobierna el reino subatómico y se comporta de manera diferente a todo lo que experimentamos en nuestra vida diaria. La teletransportación cuántica no solo mueve datos entre computadoras cuánticas, sino que también lo hace de tal manera que nadie pueda interceptarlos.

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«Esto significa no solo que la computadora cuántica puede resolver tu problema, sino también que no sabe cuál es el problema», dijo Tracy Eleanor Northup, investigadora del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck, que también explora la teletransportación cuántica. «Hoy no funciona así. Google sabe lo que está ejecutando en sus servidores. »

Una computadora cuántica aprovecha las formas extrañas en que se comportan ciertos objetos si son muy pequeños (como un electrón o una partícula de luz) o muy fríos (como un metal exótico enfriado hasta cerca del cero absoluto, o menos 460 grados Fahrenheit). En estas situaciones, un solo objeto puede comportarse como dos objetos separados al mismo tiempo.

Las computadoras tradicionales realizan cálculos procesando «bits» de información, cada bit contiene un 1 o un 0. Al explotar el extraño comportamiento de la mecánica cuántica, un bit cuántico, o qubit, puede almacenar una combinación de 1 y 0, muy parecido a cómo una moneda que gira contiene la tentadora posibilidad de que se enfrentará o enfrentará cuando finalmente caiga sobre la mesa.

Esto significa que dos qubits pueden contener cuatro valores a la vez, tres qubits pueden contener ocho, cuatro pueden contener 16, y así sucesivamente. A medida que aumenta la cantidad de qubits, una computadora cuántica se vuelve exponencialmente más poderosa.

Los investigadores creen que estos dispositivos algún día podrían acelerar la creación de nuevos medicamentos, promover la inteligencia artificial y descifrar sumariamente el cifrado que protege las computadoras vitales para la seguridad nacional. En todo el mundo, gobiernos, laboratorios universitarios, nuevas empresas y gigantes tecnológicos están gastando miles de millones de dólares en explorar la tecnología.

En 2019, Google anunció que su máquina había logrado lo que los científicos llaman «supremacía cuántica», lo que significaba que podía realizar una tarea experimental imposible con las computadoras tradicionales. Pero la mayoría de los expertos creen que pasarán varios años, como mínimo, antes de que una computadora cuántica pueda hacer algo útil que no pueda hacer con otra máquina.

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Parte del desafío es que un qubit se rompe, o «se decoherencia», si lees información de él: se convierte en un bit ordinario capaz de contener solo un 0 o un 1, pero no la mitad de ellos. Pero al encadenar muchos qubits y desarrollar formas de protección contra la decoherencia, los científicos esperan construir máquinas que sean poderosas y prácticas.

En última instancia, idealmente, estos estarían conectados a redes capaces de enviar información entre nodos, lo que les permitiría usarse desde cualquier lugar, al igual que los servicios en la nube de Google y Google.

Pero eso viene con sus propios problemas. En parte debido a la decoherencia, la información cuántica no puede simplemente copiarse y enviarse a través de una red tradicional. La teletransportación cuántica ofrece una alternativa.

Aunque no puede mover objetos de un lugar a otro, puede mover información aprovechando una propiedad cuántica llamada «entrelazamiento»: un cambio en el estado de un sistema cuántico afecta instantáneamente el estado de otro sistema remoto.

«Después del enredo, ya no se pueden describir estos estados individualmente», dijo Northup. «Básicamente ahora es un sistema».

Estos sistemas entrelazados podrían ser electrones, partículas de luz u otros objetos. En los Países Bajos, Hanson y su equipo utilizaron lo que se llama un centro vacante de nitrógeno, un pequeño espacio vacío en un diamante sintético en el que se pueden atrapar electrones.

El equipo construyó tres de estos sistemas cuánticos, llamados Alice, Bob y Charlie, y los conectó en línea con hilos de fibra óptica. Luego, los científicos podrían entrelazar estos sistemas enviando fotones individuales (partículas de luz) entre ellos.

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Primero, los investigadores entrelazaron dos electrones, uno perteneciente a Alice y el otro a Bob. De hecho, los electrones recibieron el mismo giro y, por lo tanto, se unieron o se enredaron en un estado cuántico común, cada uno almacenando la misma información: una combinación particular de 1 y 0.

Luego, los investigadores podrían transferir ese estado cuántico a otro qubit, un núcleo de carbono, dentro del diamante sintético de Bob. Esto liberó el electrón de Bob y los investigadores pudieron entrelazarlo con otro electrón que pertenecía a Charlie.

Al realizar una operación cuántica específica en los dos qubits de Bob, el electrón y el núcleo de carbono, los investigadores pudieron unir los dos enredos: Alice más Bob pegados a Bob más Charlie.

El resultado: Alice se mezcló con Charlie, lo que permitió que los datos se teletransportaran a los tres nodos.

Cuando los datos viajan de esta manera, sin recorrer realmente la distancia entre los nodos, no se pueden perder. “La información se puede introducir en un lado de la conexión y luego aparecer en el otro”, dijo Hanson.

La información tampoco puede ser interceptada. Una Internet cuántica del futuro, impulsada por la teletransportación cuántica, podría proporcionar un nuevo tipo de cifrado teóricamente indescifrable.

En el nuevo experimento, los nodos de la red no estaban tan separados, solo unos 60 pies. Pero experimentos anteriores han demostrado que los sistemas cuánticos pueden entrelazarse en distancias más largas.

La esperanza es que después de varios años de investigación, la teletransportación cuántica sea viable por muchos kilómetros. “Ahora estamos tratando de hacer esto fuera del laboratorio”, dijo Hanson.


Este artículo apareció originalmente en Los New York Times.