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Gerhard Rempe, Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, y sus colegas investigan los fundamentos de la tecnología de la información cuántica.

Los investigadores han aprendido a controlar átomos individuales  y fotones, o partículas de luz, y las interacciones entre los dos de una manera muy precisa. Atrapan átomos individuales en resonadores que están esencialmente compuestos por dos muy  buenos espejos. Al traer fotones para interactuar con un átomo en el resonador, almacenan información en el átomo en forma de bits individuales, se lee el bit de nuevo y se transfiere a otro átomo. Recientemente, incluso vincularon lógicamente un átomo con un fotón y así ejecutaron un paso fundamental en la computación cuántica.

Profesor Rempe, ¿cómo explicó su trabajo a sus hijos cuando eran jóvenes?

Gerhard Rempe: Fue muy difícil. Podía casi llegar al estado de superposición, donde una partícula cuántica puede existir en dos estados al mismo tiempo antes de que se midieron sus propiedades. Pero no llegué muy lejos con el entrelazamiento de dos partículas. Traté de demostrar el efecto con los dados.

¿Puede intentarlo de nuevo para nosotros?

Con un dado, los números en los lados opuestos siempre suman siete. El seis es opuesta al uno, por ejemplo. Así que si veo un número, yo sé de inmediato el otro. Existe una situación similar cuando mido las propiedades de las partículas entrelazadas. Lo más loco sobre el entrelazamiento es que el resultado de una medición depende también del tipo de medición – decimos que podemos girar la base. Tal vez es más fácil si usted se imagina que fuera a poner su cabeza a un lado para que  pueda ver simultáneamente algo de los números en los lados opuestos. Esto lleva a un nuevo, «número» girado, cuyo «homólogo» siempre gira automáticamente con él. Pero es posible que note que es muy difícil de explicar esto con analogías. La física cuántica no es ilustrativa, ya que nuestras ideas se caracterizan por la vida cotidiana y la física cuántica no se aplica aquí.

Probablemente uno tiene que aceptar que su trabajo excede el poder de la imaginación de muchas personas. Pero no es sólo el concepto de su investigación lo que es difícil de entender. Sus experimentos también parecen ser técnicamente inconcebibles. Después de todo, se trabaja con átomos individuales y fotones individuales.

Hoy en día, puedo decir que no es difícil, porque ahora podemos hacerlo. Pero empecé en esto hace 20 años. Y en retrospectiva, tiene razón: hemos tenido que recorrer un camino largo, pero emocionante hasta conseguir el control de las partículas individuales y muy diferentes, tales como átomos y fotones. Y también tenía que disponer de grandes cantidades de tecnologías. Cuando la investigación se desarrolla durante un tiempo tan largo es fantástico estar en la Sociedad Max Planck, porque aquí es posible llevar a cabo proyectos de investigación a largo plazo y saber que la financiación es segura.

La perseverancia, obviamente, dio sus frutos.

En las conferencias escuchamos comentarios apreciativos otra vez. Sin embargo, algunos estudiantes de doctorado que nos gustaría asumir tienen miedo de unirse a nosotros, porque nuestros experimentos son demasiado exigentes para ellos. Para otros, es precisamente este aspecto que es más atractivo, por supuesto.

¿Qué problemas tuvo que superar para poder controlar esas pequeñas partículas como los átomos y los fotones?

Cuidado: los átomos pueden ser extremadamente pequeños, pero nuestros fotones no lo son ciertamente. Se extienden sobre varios cientos de metros, pero se mueven muy rápido, por supuesto. Debido a que se extienden sobre un espacio tan grande, podemos optar por su frecuencia, es decir, su color, con extrema precisión.

Esta es otra característica de los objetos cuánticos que toma algún tiempo para acostumbrarse, el hecho de que no todas sus propiedades se pueden determinar con la mejor precisión posible. ¿Puede decirnos algo sobre otros desafíos en sus experimentos?

Una trampa mantiene nuestros átomos entre dos espejos que están muy cerca uno del otro. En un principio, los espejos estaban siempre en nuestro camino cuando queríamos llegar al átomo con rayos láser para enfriar o influir en su estado.

¿Cómo resolver este problema?

Hemos desarrollado técnicas de enfriamiento especiales para esto, por ejemplo. Existen algunos métodos de enfriamiento de átomos en el espacio libre. Esta fue una de las cosas por las que David Wineland recibió el Premio Nobel 2012 de Física, por ejemplo. Nosotros, en cambio, tenemos en cuenta las propiedades de radiación especiales del átomo en el resonador, que son diferentes a las de espacio libre. El átomo se ve entre los espejos tal vez un millón de veces. Aprovechamos esta para enfriar el átomo.

¿Por qué estás interesado en el sistema de un átomo en un resonador?

Hay dos razones para esto. Por un lado, soy realmente un físico de láser. He construido un láser como parte de mi tesis. ¿Y qué es un láser? Un medio entre dos espejos que se excita y que amplifica la luz. En algún momento me pregunté cuáles son los límites que estaban aquí. ¿Puedo construir un láser de un átomo entre dos espejos? En realidad, nadie ha tenido éxito en hacer esto hasta ahora. Un problema es que cuanto más reduzco el número de átomos entre los espejos, estos espejos tienen que ser mejores.

¿Y la segunda razón?

Si trabajo con un sistema tan simple que consta de sólo un átomo y un fotón con una frecuencia con una polarización y una longitud de onda, puedo investigar muchas cuestiones fundamentales. Se podría pensar que no pasa mucho en un sistema tan simple, pero en realidad hay mucho que hacer.

¿Y lo que realmente sucede?

Lo más importante es que la interacción entre la luz y la materia se convierte en no lineal. Si las interacciones fueron lineales, el átomo simplemente reaccionaría dos veces tan intensamente con el doble de la intensidad de la luz, por ejemplo. Pero este no es el caso para un átomo individual. Si ofrezco al átomo un fotón, que es absorbida por el átomo. El átomo hace la transición desde el estado fundamental a un estado excitado. Si el segundo fotón llega ahora, el átomo ya no puede absorberlo, puesto que ya está excitado. Sólo se puede emitir. Así que lo que originalmente era un absorbedor se ha convertido en un emisor. Por lo tanto, un único fotón puede girar completamente alrededor de las propiedades de radiación de un medio que consta de un solo átomo. Esto no es posible con un medio que consta de muchos átomos, por supuesto. Desde este punto de vista, una reducción de las partículas individuales no es una limitación, sino una oportunidad. Debido a que un átomo y un fotón se comunican mucho más intensamente entre sí.

¿Qué papel juega el resonador en este proceso?

Sin el resonador que sería imposible para mí golpear al átomo correctamente. El átomo es mucho más pequeño que un haz de luz, incluso si enfoco a un nivel óptimo. Esto hace que sea muy poco probable que el fotón se reúna con el átomo y que los dos iniciaran un diálogo intenso. El fotón se refleja una y otra vez entre los espejos, de modo que la probabilidad de que el fotón interactúe con el átomo se incrementa considerablemente.

Los obstáculos experimentales en su investigación son obviamente difícil de superar. ¿Cuál es su objetivo a largo plazo?

El camino que tomamos no siempre correr en línea recta, a veces miramos a la izquierda y la derecha. Es como estar en las montañas, donde a veces es también posible la deriva en todo el paisaje hermoso distanciándose de la ruta real.

¿Y el ordenador cuántico es el pico?

La gente siempre mencionan la computadora cuántica, no sé por qué. Es sólo una de las posibilidades que la tecnología de la información cuántica nos proporciona. Todavía no tenemos ni idea de si y cuándo habrá uno.

Entonces, ¿cuál es su objetivo alternativa?

No queremos calcular, sino comunicamos. Mi objetivo es a largo plazo es una internet cuántica que tenga una alta capacidad, se extienda por grandes distancias y no sea susceptible a la escucha, de modo que la NSA ya no pueda escuchar, por ejemplo.

Ellos están probablemente muy interesados ??en la computación cuántica … 

Debido a que un ordenador cuántico puede romper rápidamente cifrados clásicos. Pero no se puede hacer esto con la criptografía cuántica sin que alguien se diera cuenta de lo que están haciendo. Es incluso posible comprar la criptografía cuántica en la actualidad, pero funciona sólo en unos pocos kilómetros y sólo entre dos partes. Nuestro sistema híbrido usando un fotón y un átomo en un resonador hace que sea posible la transmisión de información cuántica segura a través de grandes distancias y también para la comunicación entre varias partes.

¿De qué manera es su sistema especialmente adecuado para esto?

Por un lado, necesito fotones. Ellos son los únicos posibles portadores de información a través de grandes distancias, porque no puedo empacar realmente mi átomo en una maleta y llevarlo del punto A al B. Los fotones son buenos para la transferencia, pero lamentablemente siempre se pierden. Por lo tanto necesito  amplificar la información si quiero enviarla a lo largo de grandes distancias. Pero no puedo ampliar la información cuántica como la información clásica. Es por eso que necesito un repetidor cuántico …

Un amplificador que mantiene el carácter cuántico de la información.

Exactamente, y para esto entonces necesito un dispositivo de almacenamiento cuántico, y nuestros átomos representan la mejor forma posible de lograrlo. Estos dispositivos de almacenamiento cuántico serían importantes no sólo para el repetidor cuántico, sino también para otras muchas  aplicaciones.

¿Cuál es su pensamiento en la actualidad, por ejemplo?

Tal dispositivo de almacenamiento es muy importante si quiero establecer una conexión entre tres o más partes en donde la sincronización es crucial. Si yo sólo quiero transmitir información de A a B, todo funciona de forma secuencial. Pero si un tercero está involucrado, lo que necesita es saber cuando se debe transmitir su información. Hasta entonces tiene que aferrarse a la información, y para ello se necesita un dispositivo de almacenamiento . Estas conexiones entre varios socios son comunes en internet. Así que la palabra clave es la escalabilidad.

La posibilidad de combinar muchos sistemas que trabajan en una pequeña escala a un sistema más grande.

Precisamente! Un sistema es escalable si las dificultades técnicas para la expansión aumentan sólo linealmente, mientras que las posibilidades aumentan exponencialmente. El potencial de los sistemas entrelazados para la computación cuántica, por ejemplo, sólo puede ser agotado completamente en sistemas más grandes. Algunas propuestas para un ordenador cuántico no son escalables, sin embargo.

¿Puede dar un ejemplo de esto?

Al organizar los iones en una cadena, que ya ha producido puertas lógicas cuánticas, en otras palabras,  operaciones lógicas. Esto ha sido posible con hasta 14 iones hasta ahora. Pero si me dirijo a un ion en un extremo de la cadena, tengo que transportar la información de este a través de toda la cadena con el fin de enviarlo al otro extremo.

Cuanto más larga sea la cadena, más fácil es que la información se pierda.

Eso es correcto. Tal vez sea posible añadir un átomo más, al igual que siempre se puede incluir otro pañuelo en una maleta. Pero en algún momento, eso es todo. Este sistema, por lo tanto no es escalable. Nuestro sistema es escalable en contraste.

Por tanto, es teóricamente posible combinarlo con sí mismo tantas veces como lo desee. ¿Podemos ya prever cuándo vamos a tener una internet cuántica que no pueda ser interceptada?

Eso es difícil. La historia del mundo no sigue una línea recta. Si hay una sorpresa de mañana, todos podemos estar haciendo algo diferente el día después de mañana. Esto no es un desastre, porque en la investigación básica sobre todo estamos buscando las sorpresas – que en realidad sería aburrida sin ellas. Así que mi conclusión es: vamos a esperar y ver!

Fuente: Peter Hergersberg. Interview with Gerhard Rempe about the fascination of and prospects for quantum information technology Read more at: http://phys.org/news/2014-04-gerhard-rempe-fascination-prospects-quantum.html#jCp. http://phys.org/news/2014-04-gerhard-rempe-fascination-prospects-quantum.html (accessed 2014/04/17).