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La forma en que computadoras cuánticas situadas a grandes distancias intercambian enormes cantidades de datos cuánticos puede transformarse con nu nuevo detector del JPL y Caltech.
Las computadoras cuánticas prometen funcionar millones de veces más rápido que los convencionales. Pero para comunicarse a larga distancia, los ordenadores cuánticos necesitarán una red de comunicaciones cuántica específica.
Para ayudar a crear esa red, científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y de Caltech han desarrollado un dispositivo capaz de contar enormes cantidades de fotones individuales -partículas cuánticas de luz- con una precisión increíble.
El detector PEACOQ (Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta), similar a la medición de gotas de agua rociadas por una manguera, es capaz de medir el momento exacto en que impacta cada fotón, con una precisión de 100 billonésimas de segundo, a un ritmo de 1.500 millones de fotones por segundo. Ningún otro detector ha alcanzado esa velocidad.
"Transmitir información cuántica a grandes distancias ha sido, hasta ahora, muy limitado", afirma Ioana Craiciu, miembro del equipo del proyecto PEACOQ, becaria postdoctoral del JPL y autora principal de un estudio que describe estos resultados. "Una nueva tecnología de detectores como el PEACOQ, capaz de medir fotones individuales con una precisión de una fracción de nanosegundo, permite enviar información cuántica a mayor velocidad, más lejos".
Los ordenadores convencionales transmiten datos a través de módems y redes de telecomunicaciones haciendo copias de la información como una serie de 1s y 0s, también llamados bits. A continuación, los bits se transmiten a través de cables, fibras ópticas y el espacio mediante destellos de luz o pulsos de ondas de radio. Cuando se reciben, los bits se vuelven a ensamblar para recrear los datos que se transmitieron originalmente.
Los ordenadores cuánticos se comunican de forma diferente. Codifican la información como bits cuánticos -o qubits- en partículas fundamentales, como electrones y fotones, que no pueden copiarse y retransmitirse sin ser destruidas. Para mayor complejidad, la información cuántica transmitida por fibras ópticas mediante fotones codificados se degrada al cabo de unas pocas decenas de kilómetros, lo que limita enormemente el tamaño de cualquier red futura.
Para que los ordenadores cuánticos se comuniquen más allá de estas limitaciones, una red cuántica óptica dedicada al espacio libre podría incluir "nodos" espaciales a bordo de satélites en órbita alrededor de la Tierra. Estos nodos retransmitirían datos generando pares de fotones entrelazados que se enviarían a dos terminales de ordenadores cuánticos situados en tierra, a cientos o incluso miles de kilómetros de distancia entre sí.
Los pares de fotones entrelazados están tan íntimamente conectados que la medición de uno afecta inmediatamente a los resultados de la medición del otro, incluso cuando están separados por una gran distancia. Pero para que estos fotones entrelazados sean recibidos en tierra por el terminal de un ordenador cuántico, se necesita un detector muy sensible como PEACOQ para medir con precisión el momento en que recibe cada fotón y entregar los datos que contiene.
El detector es diminuto. Mide sólo 13 micras y está compuesto por 32 nanocables superconductores de nitruro de niobio en un chip de silicio con conectores que se abren en abanico como el plumaje del detector. Cada nanocable es 10.000 veces más fino que un cabello humano.
El detector PEACOQ, financiado por el programa de Comunicaciones y Navegación Espaciales (SCaN) de la Dirección de Misiones de Operaciones Espaciales de la NASA y construido por el Laboratorio de Microdispositivos del JPL, debe mantenerse a una temperatura criogénica de sólo un grado por encima del cero absoluto, es decir, menos 272 grados Celsius. Esto mantiene los nanocables en un estado superconductor, necesario para que puedan convertir los fotones absorbidos en impulsos eléctricos que proporcionen los datos cuánticos.
Aunque el detector debe ser lo bastante sensible a los fotones individuales, también está diseñado para soportar el impacto de muchos fotones a la vez. Cuando un fotón incide sobre un nanocable del detector, éste es momentáneamente incapaz de detectar otro fotón -un periodo denominado "tiempo muerto"-, pero cada nanocable superconductor está diseñado para tener el menor tiempo muerto posible. Además, PEACOQ está equipado con 32 nanocables para que los demás puedan suplir la falta de detección mientras uno está "muerto".
"A corto plazo, PEACOQ se utilizará en experimentos de laboratorio para demostrar las comunicaciones cuánticas a mayor velocidad o a mayores distancias", afirma Craiciu en un comunicado. "A largo plazo, podría dar respuesta a la pregunta de cómo transmitimos datos cuánticos por todo el mundo".
PEACOQ, que forma parte de un esfuerzo más amplio de la NASA para hacer posibles las comunicaciones ópticas en el espacio libre entre el espacio y la tierra, se basa en el detector desarrollado para la demostración tecnológica Deep Space Optical Communications (DSOC) de la NASA. DSOC se lanzará con la misión Psyche de la NASA a finales de este año para demostrar, por primera vez, cómo podrían funcionar en el futuro las comunicaciones ópticas de gran ancho de banda entre la Tierra y el espacio profundo.
Aunque DSOC no comunicará información cuántica, su terminal terrestre en el Observatorio Palomar de Caltech, en el sur de California, requiere la misma sensibilidad extrema para contar los fotones individuales que llegan por láser desde el transceptor DSOC en su viaje por el espacio profundo.
"Se trata de la misma tecnología, pero con una nueva categoría de detectores", explica Matt Shaw, responsable de los detectores superconductores del JPL. "Tanto si ese fotón está codificado con información cuántica como si queremos detectar fotones individuales de una fuente láser en el espacio profundo, seguimos contando fotones individuales".
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