Un fenómeno cuántico abre la vía a las redes de teleportación

E l mundo cuántico es misterioso y nada intuitivo, y suele sorprender a quienes investigan en él. Es lo que les ha pasado a tres investigadores en redes cuánticas, dos de ellos en España y otro, Ignacio Cirac, del Instituto Max Planck para Óptica Cuántica, en Garching (Alemania).

Cuando hay un cambio en una de las partículas, también lo hay en la otra

Construir redes cuánticas es muy complejo y aún no existen físicamente, ni siquiera de forma experimental, pero los investigadores aseguran que serán la base de la comunicación cuántica del futuro. Así que han empezado a trabajar con ellas en modelos de ordenador. Y han descubierto un inesperado fenómeno nuevo y que constituye una buena noticia: "En el mundo cuántico es posible establecer conexiones perfectas a grandes distancias a partir de conexiones imperfectas", afirman los investigadores. Su trabajo se ha publicado en la versión digital de Nature Physics.

La telecomunicación cuántica se basa en el fenómeno del entrelazamiento entre partículas, por ejemplo entre fotones. El entrelazamiento permite que una partícula permanezca en cierto modo unida o, técnicamente, correlacionada a otra, a pesar de encontrarse lejos de ella; de esta forma, cuando se produce un cambio en una de las partículas también se produce en la otra. Así, las propiedades de una partícula se teleportan de modo instantáneo a la otra. En una red cuántica, los nodos de la red compartirían parejas de partículas relacionadas. "Por desgracia, establecer correlaciones perfectas incluso a distancias cortas es un desafío formidable. En los experimentos sólo podemos hacer correlaciones imperfectas", afirman Antonio Acín, español, y su colega polaco Maciej Lewenstein, ambos profesores ICREA en el Instituto de Ciencias Fotónicas, en Barcelona.

Pero los investigadores observaron que en las redes cuánticas simuladas aparecía un fenómeno muy habitual en el mundo macroscópico llamado percolación. En el mundo a escalas humanas, el cotidiano, la percolación es responsable de que, por ejemplo, un incendio acabe propagándose a pesar de que sus focos están lejos entre sí. Por encima de un cierto grado de conexión entre los focos, aunque esta conexión sea pobre, el fuego acabará propagándose y será difícil de parar.

Los investigadores observaron que en las redes cuánticas pasa igual: aunque las correlaciones sean imperfectas, una vez superado un nivel mínimo de imperfección la correlación perfecta a larga distancia es posible.

Lo que más les sorprendió fue el darse cuenta no sólo de que había percolación cuántica, sino de que ésta podía ser mucho más eficaz que la clásica; es decir, podía tolerar un grado de imperfecciones mucho mayor que la percolación del macromundo. De hecho, el trabajo que ahora se publica muestra con qué protocolos de red es posible mejorar la capacidad de percolación de la red.

¿Cómo se consigue esto? La clave, explican los autores, es el concepto de que en comunicación cuántica las partículas se comportan también como ondas, y en las ondas se producen interferencias que pueden ser destructivas -que impiden la comunicación- o constructivas. El truco está en hacer la red de forma que las interferencias sean constructivas.

Nadie hasta ahora había observado el fenómeno de la percolación cuántica porque las investigaciones se habían centrado en las conexiones lineales, el equivalente a una conexión punto a punto, no en redes. "Éste es el primer trabajo que muestra lo que ocurre con las redes. Estamos abriendo una nueva vía en la que seguro que hay muchas cosas por descubrir", dice Acín.

El hallazgo tiene consecuencias prácticas: "Si en una red cuántica se establecen conexiones imperfectas en distancias cortas, es probable que se pueda, con la ayuda de métodos clásicos de comunicación como teléfonos o conexiones normales entre ordenadores, establecer correlaciones cuánticas perfectas en distancias largas", afirman los autores. Las conexiones normales, como el teléfono, servirían para hacer el protocolo que mejora la percolación de la red cuántica.

El año que viene ya hay planeado un primer experimento con redes cuánticas en Viena, a través del proyecto europeo SECOQC, en el que se intentará crear una red cuántica con los nodos situados a pocos kilómetros de distancia.