El experimento que probó la calidad del dispositivo y el método empleado fue publicado en Nature Physics, una de las revistas científicas de mayor impacto en el área de la física.
Un nuevo tipo de dispositivo de medición, destinado a ser un componente esencial para las futuras redes de comunicaciones basadas en tecnologías cuánticas, fue desarrollado por un equipo de investigadores liderado por el investigador asociado del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO) y académico de la Universidad de Concepción, Dr. Gustavo Lima.
“Los experimentos que hasta ahora habían para hacer mediciones se basaban en un sistema que tenía limitaciones. Nosotros ocupamos un segundo sistema de medición y lo que logramos resolver fue cómo implementarlo de una forma más eficiente y en sistemas cuánticos más complejos”, explica el Dr. Lima.
El dispositivo de medición creado en Chile se puede insertar dentro de fibras ópticas de última generación, permitiendo mejorar la velocidad de procesamiento en el envío de información y la calidad y velocidad en procesos de generación cuántica de números aleatorios, un elemento clave para la ciberseguridad. “Hicimos un experimento para testear la calidad óptica del dispositivo y así pudimos demostrar que tiene un muy buen desempeño”, agrega el investigador de MIRO.
La investigación llamada “Certification of a non-projective qudit measurment using multiport beamsplitters” fue publicada en Nature Physics, una de las revistas con mayor factor de impacto en el ámbito de la física, el cual mide la relevancia de los descubrimientos basándose en la cantidad de citas que otros científicos hacen de las publicaciones que allí aparecen.
Desafío experimental
Pero, ¿por qué la medición es un reto para los científicos que trabajan en información cuántica? El investigador Stephen Walborn de la Universidad de Concepción e investigador asociado de MIRO, quien fue parte de esta investigación, explica que “mientras que la física clásica describe el movimiento de objetos macroscópicos como una pelota de fútbol, la física cuántica describe el comportamiento de pequeñas partículas elementales como los electrones. Si queremos entender cuál es la manera en la que una pelota se mueve en un campo de futbol, simplemente podemos observar al balón o hacer algún tipo de medición más sofisticada para determinar la dirección en la que se mueve, por ejemplo, pero en la física cuántica estamos muy limitados en el cómo podemos medir el sistema. En física cuántica debemos formular preguntas específicas cuyas posibles respuestas sean opuestas, tal como “¿La pelota se mueve hacia adelante o hacia atrás?”.
La dificultad de observar un estado cuántico radica en el principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual no se pueden conocer con certeza pares de variables, como la posición o la cantidad de movimiento de un objeto, esto porque en la mecánica cuántica los sistemas son muy sensibles y al intentar medir el movimiento de una partícula dejamos de conocer su posición. Por esta razón, si en la física clásica estamos acostumbrados a que es posible medir con precisión, en la física cuántica no se pueden obtener mediciones exactas.
Sin embargo, en teoría cuántica se pueden hacer preguntas cuyas respuestas no son tan rígidas y permiten obtener resultados más generales. “Estas mediciones no convencionales son una clave para aprovechar las ventajas de la física cuántica en las tecnologías de la información. Sin embargo, son muy difíciles de implementar con una alta calidad” aclara el Dr. Esteban Sepúlveda, miembro del equipo de investigación.
“Esas mediciones generales tienen ventajas en diferentes protocolos para realizar tareas como teleportación cuántica, comunicaciones cuánticas y generación de números aleatorios. Si en esos tipos de protocolos utilizas mediciones generales tienes ventajas y los protocolos mejoran su desempeño. Lo que nosotros logramos demostrar es que ese tipo de medición puede ser implementado en sistemas cuánticos más complejos ”, agrega el Dr. Lima.
Enchufar y usar
Por su parte, el investigador Daniel Martínez, agrega que otra cualidad del dispositivo es que “es prácticamente plug-and-play y es compatible con la tecnología actual usada en las comunicaciones ópticas”, es decir con una intervención mínima del usuario, un “enchufar y usar”. Esto permitiría usarlo en equipos de telecomunicaciones y también tendría utilidad en el área de ciberseguridad.
Tanto el dispositivo como el experimento para testear su desempeño fueron realizados en su totalidad en un laboratorio chileno del Instituto Milenio de Investigación en Óptica, ubicado en el Departamento de Física de la Universidad de Concepción.
En el trabajo participaron los investigadores de MIRO pertenecientes a la UdeC Daniel Martínez, Esteban Sepúlveda, Aldo Delgado, Stephen Walborn, Gustavo Lima y el académico de la Universidad Católica de la Santísima Concepción Jaime Cariñe. Además, integró el equipo de investigación el estudiante de doctorado Luciano Pereira del Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC (España) y el investigador posdoctoral Armin Tavakoli, del Institute for Quantum Optics and Quantum Information y la Austrian Academy of Sciences (Austria).
A futuro, los investigadores esperan ocupar este dispositivo para mejorar protocolos de comunicación en información cuántica, un área prometedora para el desarrollo de la ciencia que se hace en nuestro país.
Encuentra esta publicación en https://www.nature.com/articles/s41567-022-01845-z