Los físicos cuánticos celebraron en octubre cuando el comité del Nobel otorgó un largamente esperado premio de física a Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger por su trabajo pionero investigación sobre entrelazamiento cuántico. Pero la comunidad ciertamente no se ha dormido en los laureles, y con tantos otros desarrollos emocionantes en 2022, es difícil elegir solo algunos aspectos destacados. Sin embargo, aquí hay algunos resultados que nos destacaron en los campos de la detección cuántica, la información cuántica, la computación cuántica, la criptografía cuántica y la ciencia cuántica fundamental.
En la mecánica cuántica, el principio de deslocalización establece que una partícula cuántica puede, en algún sentido ondulado manual, estar en múltiples lugares a la vez. Mientras tanto, el principio de entrelazamiento establece que las partículas cuánticas experimentan una conexión que permite que la condición de una partícula determine la de otra, incluso a grandes distancias. En noviembre, los físicos de JILA en Colorado, EE. UU., utilizaron una combinación de entrelazamiento y deslocalización para suprimir el ruido que previamente había hecho imposible detectar aceleraciones por debajo del llamado límite cuántico. Este límite lo establece el ruido cuántico de las partículas individuales, y durante mucho tiempo ha sido una restricción significativa en la precisión de los sensores cuánticos. Superarlo es, pues, un gran paso adelante.
Enviar información cuántica de un nodo de una red a otro no es fácil. Si codifica la información en fotones enviados por una fibra óptica, las pérdidas en la fibra reducen la fidelidad de la señal hasta que se vuelve ilegible. Si, en cambio, utiliza el entrelazamiento cuántico para teletransportar la información directamente, introduce otros procesos que, por desgracia, también degradan la señal. Adición de un tercer nodo a la red, como físicos de QuTech en los Países Bajos hizo en 2021, sólo hace que la tarea sea más difícil. Por eso es tan impresionante que los investigadores de QuTech continuaran su éxito anterior al teletransportar información cuántica de un emisor (Alice) a un receptor (Charlie) a través de un nodo intermedio (Bob). Aunque la fidelidad de la transmisión Alice-Bob-Charlie fue solo del 71%, eso es más alto que el límite clásico de 2/3, y lograrlo requirió que los investigadores combinaran y optimizaran varios experimentos desafiantes. ¿Se unirán los nodos Dave, Edna y Fred a la red en 2023? ¡Ya veremos!
En caso de que no haya quedado claro en los dos primeros aspectos destacados de esta lista, el ruido es un gran problema en la ciencia cuántica. Esto es tan cierto para la computación como para la detección y la comunicación, razón por la cual es tan importante corregir estos errores inducidos por el ruido. Los físicos hicieron varios avances en este frente en 2022, pero uno de los más significativos se produjo en mayo, cuando los investigadores de la Universidad de Innsbruck, Austria, y la Universidad RWTH Aachen de Alemania demostraron por primera vez un conjunto completo de operaciones cuánticas tolerantes a fallas. Su computadora cuántica de trampa de iones utiliza siete qubits físicos para hacer cada qubit lógico, además de qubits de "bandera" para señalar la presencia de errores peligrosos en el sistema. Fundamentalmente, la versión del sistema con errores corregidos funcionó mejor que la más simple sin corregir, lo que ilustra las posibilidades de la técnica.
La seguridad de la información es la USP de la criptografía cuántica, pero la información solo es tan segura como el eslabón más débil de la cadena. En la distribución de claves cuánticas (QKD), un eslabón débil potencial son los dispositivos que se utilizan para enviar y recibir las claves, que son vulnerables a los ataques convencionales (como alguien que irrumpe en un nodo y manipula el sistema), aunque las claves mismas están protegidas contra ataques. los cuánticos. Una alternativa es usar QKD independiente del dispositivo (DIQKD), que usa mediciones de las desigualdades de Bell en pares de fotones para confirmar que el proceso de generación de claves no ha sido falsificado. En julio, dos grupos independientes de investigadores demostraron DIQKD de forma experimental por primera vez; en un caso, generaron 1.5 millones de pares de Bell entrelazados durante un período de ocho horas y los utilizaron para generar una clave compartida de 95 884 bits de longitud. Aunque la tasa de generación de claves debe ser mayor para que DIQKD sea práctico para las redes cifradas del mundo real, la prueba del principio es impresionante.
Las otras partículas entrelazadas en esta lista destacada son todas idénticas: fotones entrelazados con otros fotones, iones con otros iones, átomos con otros átomos. Pero no hay nada en la teoría cuántica que exija este tipo de simetría, y una nueva clase emergente de tecnologías cuánticas "híbridas" en realidad se basa en mezclar cosas. Entran investigadores liderados por Armin Feist del Instituto Max Planck de Ciencias Multidisciplinarias en Alemania, quienes demostraron en agosto que podían entrelazar un electrón y un fotón utilizando un microrresonador óptico en forma de anillo y un haz de electrones de alta energía que pasa el anillo en una tangente. La técnica tiene aplicaciones para un proceso cuántico llamado "heraldo" en el que la detección de una partícula en un par entrelazado indica que la otra partícula está disponible para su uso en un circuito cuántico, un gran ejemplo de cómo los avances fundamentales de hoy impulsan las innovaciones del mañana.
Una bolsa sorpresa de rarezas cuánticas
Finalmente, como es tradicional (lo hemos hecho dos veces, por lo tanto, es una tradición), ninguna lista de aspectos cuánticos destacados está completa sin un guiño a todo lo que es extraño y alucinante en el campo. Escuchémoslo de los investigadores estadounidenses que usaron un procesador cuántico para simular la teletransportación de información a través de un agujero de gusano en el espacio-tiempo; un grupo en Italia y Francia que puso números duros en el indistinguibilidad de fotones indistinguibles; un equipo internacional que usó violaciones cuánticas de la causalidad clásica para comprender mejor la naturaleza de causa y efecto; y un intrépido par de físicos de la Universidad de Edimburgo, Reino Unido, que demostraron que las señales cuánticas serían una buena forma de extraterrestres tecnológicamente avanzados para establecer contacto a través de distancias interestelares. ¡Gracias por mantener la rareza cuántica!
