Francis en Trending Ciencia: El entrelazamiento entre cubits de diamante

Dibujo20130428 diamond qubits based on nitrogen defects

Disfruta de mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido como tema para mi nuevo podcast sobre física una noticia sobre mecánica cuántica, en concreto, un nuevo récord de distancia en el entrelazamiento de dos cubits de estado sólido implementados mediante cristales de diamante (ya hablé de ello en este blog). El grupo de investigación del Prof. Ronald Hanson, de la Universidad Técnica de Delft, Países Bajos, ha publicado online en Nature el pasado 24 de abril un artículo cuyo primer autor es su estudiante de doctorado Hannes Bernien, que ya apareció en el servidor de preprints arxiv el 26 de diciembre del año pasado, en concreto, el artículo arxiv:1212.6136.

El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013 [arXiv:1212.6136]. Recomiendo leer también a Richard Van Noorden, “Diamond shows promise for a quantum Internet. Crystal could be used to connect distant quantum networks,” Nature News, 24 Apr 2103.

Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es muy difícil pues se requiere un protocolo con una partícula que actúa como mediadora que recorra dicha distancia. Entrelazar dos cubits implementados con diamante en una distancia de 3 metros parece poco, pues esta distancia es muy pequeña comparada con los casi 200 km que se logran con cubits implementados con fotones, pero trabajar con cubits implementados con diamante es mucho más difícil.

Pero antes de discutir más sobre este logro, permíteme recordar qué es el entrelazamiento cuántico, qué son los cubits implementados en celdas de diamante y por qué son tan interesantes.

Dibujo20130428 ronald hanson - tu delf - and his research group

La mecánica cuántica está basada en el principio de superposición. Cada estado de un sistema se describe con una función de onda y la suma de dos funciones de onda corresponde a un nuevo estado llamado de superposición. Cuando un sistema cuántico está compuesto por varias partes, cada parte se describe con una función de onda y el sistema cuántico conjunto se describe por el producto de estas funciones de onda, si el sistema cuántico no está entrelazado y es separable.

El entrelazamiento cuántico es resultado de la aplicación del principio de superposición a un sistema compuesto. Para simplificar la exposición supongamos que tenemos un sistema cuántico compuesto por dos partículas llamadas Alicia y Berto. Supongamos que la partícula Alicia puede estar en dos estados diferentes, sean Arriba y Abajo, y que la partícula Berto puede estar en otros dos estados diferentes, sean Izquierda y Derecha. Si la partícula Alicia está en el estado Arriba y Berto en el estado Izquierda, entonces el sistema compuesto por Alicia y Berto está en el estado producto Arriba-Izquierda. Este estado se llama separable porque podemos saber en qué estado están cada una de las partículas. Lo mismo pasa si el sistema compuesto está, por ejemplo, en el estado producto Abajo-Derecha; en dicho estado Alicia está en el estado Abajo y Berto en el estado Derecha. Este fenómeno es similar a lo que pasa con cualquier teoría clásica de ondas, por ejemplo, con los sonidos gracias a los cuales escuchas este podcast; si hubiera música de fondo, podrías separar los diferentes instrumentos musicales que están interpretando la obra gracias al principio de superposición, y saber qué pasajes interpreta el violín y cuáles la flauta. Sin embargo, la mecánica cuántica permite utilizar el principio de superposición para construir estados que no son separables, estados que llamamos entrelazados.

Imagina que el sistema compuesto de las partículas Alicia y Berto está en el estado de superposición Arriba-Izquierda y Abajo-Derecha, es decir, su función de onda es la suma de dos productos de funciones de onda. Este estado es entrelazado porque no se puede separar en un estado individual para Alicia y otro para Berto. En el estado entrelazado Arriba-Izquierda más Abajo-Derecha, ¿en qué estado está Alicia? No lo podemos saber, es imposible saberlo. Un estado entrelazado no permite saber en qué estado están las partes que constituyen el sistema compuesto. Alicia puede estar en el estado Arriba o en el estado Abajo. Y lo mismo le pasa a Berto, que puede estar en el estado Izquierda o Derecha. En mecánica cuántica se dice que en el estado entralazado Arriba-Izquierda más Abajo-Derecha ni Alicia ni Berto tienen estados bien definidos de forma individual, sólo tiene un estado bien definido el sistema compuesto.

Ahora bien, el estado entrelazado implica algo realmente sutil, algo que disgustaba a Albert Einstein, si el sistema está en un estado entrelazado y medimos el estado de la partícula Alicia, el resultado de esta medida nos informa sobre el estado de la otra partícula, Berto, incluso si ésta se encuentra muy lejos, tan lejos que una señal luminosa no puede enviar esta información a tiempo. Imagina que ponemos a Alicia en la Luna y dejamos a Berto en la Tierra. Al medir el estado de Alicia en la Luna y obtener como resultado Abajo, sabemos instantáneamente que el estado de Berto en al Tierra es Derecha. Si alguien mide en la Tierra el estado de Berto antes de que pasen los 1,3 segundos que separan la Tierra y la Tierra, obtendrá como valor Derecha, incluso si una señal luminosa no hubiera tenido tiempo de propagar la información de la medida en la Luna del estado de Alicia.

El entrelazamiento cuántico introduce una noción de no localidad en la mecánica cuántica. Sin embargo, el entrelazamiento no puede ser utilizado para enviar información más rápido que la luz, pues los resultados de las medidas de cada partícula entrelazada son aleatorios y no se puede seleccionar los valores obtenidos para codificar información clásica. La única manera de enviar información entre Alicia en la Luna y Berto en la Tierra utilizando el entrelazamiento es enviar por un canal clásico (mediante señales luminosas) la información de los resultados de las medidas de Alicia en la Luna hasta la Tierra. Pero entonces estamos limitados por la localidad de la teoría de la relatividad y es imposible (virtualmente imposible) enviar información más rápido que la luz utilizando el entrelazamiento cuántico.

Hasta principios de los 1980, se pensaba que el entrelazamiento cuántico era una simple curiosidad de la mecánica cuántica, pero en la actualidad se utiliza para diseñar ordenadores cuánticos, sistemas de comunicación de información cuántica (la llamada internet cuánica) y sistemas de cifrado (o criptografía) cuánticas. El secreto de la gran potencia de cálculo de los ordenadores cuántics es que al aplicar una operación a un registro con varios cubits entrelazados, se aplica dicha operación a todos los posibles estados del registro; por ejemplo, si entrelazamos 10 cubits, el sistema estará en un estado de superposición lineal de 2 elevado a 10, es decir, 1024 estados posibles, y si aplicamos un operador cuántico a este registro de 10 cubits, estaremos aplicando dicho operador de forma simultánea a los 1024 estados posibles. Una sola aplicación equivale a 1024 operaciones simultáneas. La explosión exponencial en el número de estados hace que un ordenador con 400 cubits entrelazados podría procesar más bits de información al mismo tiempo que átomos hay en el universo. Gracias a esta potencia computacional, los ordenadores cuánticos podrán resolver algunos problemas (como la factorización de números enteros) de forma más eficiente que cualquier ordenador clásico.

El gran poblema de la computación cuántica es que los cubits son muy frágiles y cuando se entralazan varios cubits el estado entrelazado dura poco tiempo porque sufre un fenómeno llamado decoherencia. El resto del universo afecta al registro de varios cubits y realiza de forma espontánea medidas de dicho sistema que destruyen el estado entrelazado, destruyendo el cálculo del ordenador cuántico. El gran objetivo a resolver en el desarrollo de futuros ordenadores cuánticos es lograr diseñar y fabricar cubits altamente robustos capaces de sobrevivir a la decoherencia durante largo tiempo. Aquí es donde entran los cubits de diamante.

Dibujo20130428 chip with diamond - zoom in of diamond - tu delf

Un diamante es un cristal de carbono muy duro (pocos materiales lo rayan), aunque también muy frágil y no soporta altas temperaturas. ¿Cómo se puede implementar un cubit en un cristal de diamante? Hay dos opciones básicas. Por un lado, una impureza de nitrógeno en un diamante puede comportarse como un cubit gracias al espín de su núcleo N-14, o al espín de su electrón, o incluso como dos cubits usando simultáneamente ambos. Por otro lado, un cristal de diamante ultrapuro, con una molécula de carbono 13 por cada millón de átomos de carbono 12, podría almacenar un cubit en dicho carbono 13. De hecho, con esta última tecnología se ha logrado que un cubit evite la decoherencia durante tres minutos y hay modelos físicos teóricos que afirman que se podría llegar a nada menos que 24 horas, y todo ello a temperatura ambiente. Mantener el estado de un cubit durante tres minutos (180 segundos) parece poco, pero para los tiempos que se suelen manejar en la física cuántica es enorme. Con la tencología utilizada por el Prof. Ronald Hanson, de la Universidad Técnica de Delft, Países Bajos, y sus colegas sólo se ha logrado mantener un cubit de larga vida durante 10 milisegundos. De nuevo parece poco tiempo, pero se trata del tiempo de coherencia más larga lograda hasta ahora para un solo espín del electrón en un cubit de estado sólido. Los avances en el campo de la computación cuántica van despacio, pero para algunos físicos, el diamante será para los ordenadores cuánticos lo que el silicio ha sido para los clásicos.

Los cubits de diamante son muy robustos ante la decoherencia, pero esta robustez también supone una gran dificultad a la hora de entrelazar varios cubits de diamante. Y más aún, cuando los cubits a entrelazar se encuentran a gran distancia. Por ello, el trabajo del grupo de investigación del Prof. Ronald Hanson de la Universidad Técnica de  Delft, en Países Bajos, merece que le dediquemos un podcast para Trending Ciencia. Recuerda que el carbono tiene cuatro electrones de valencia y que el nitrógeno tiene cinco. El cubit se almacena en el electrón de valencia en exceso del nitrógeno que actúa como defecto en el cristal de diamante. El cristal actúa como una prisión para el cubit que permite que su estado sea muy robusto ante la decoherencia. Para leer el estado o para cambiar el estado de dicho cubits se utilizan fotones, en concreto de microondas.

Los cubits implementados con diamante se pueden implementar mediante técnicas de nanofabricación en un chip, pero en aplicaciones relacionadas con comunicaciones cuánticas, por ejemplo, para la futura red cuántica de comunicaciones, lo que algunos llaman internet cuántica, se requiere un procedimiento que entrelace cubits en distancias más grandes. Hanson y sus colegas han elegido tres metros como podrían haber elegido unos cuantos metros más, pues su procedimiento, a priori, basado en el intercambio de parejas de fotones, no está limitado de forma fuerte por esta distancia.

En la internet cuántica cada nodo de procesado local contiene un registro de cubits bien controlado y de larga vida que se entrelaza con otros nodos. Los cubits sólidos son ideales para formar parte de estos nodos, porque son muy robustos y se cree que son escalables gracias a las técnicas de nanofabricación. El nuevo protocolo cuántico, no quiero entrar en los detalles técnicos, que los interesados podrán disfrutar gracia al preprint en arxiv 1212.6136, permite entralazar nodos lejanos en la red cuántica que almacenen cubits en cristales de diamante. La demostración del protocolo en una distancia de 3 metros es sólo simbólica. Perfectamente se podría haber logrado en cientos de metros. Lo importante es que reivindica la tecnología de los cubits de estado sólido basados en diamante como una tecnología muy prometedora para el futuro de los  ordenadores cuánticos, la internet cuántica y la ingeniería de la información cuántica en general.

Espero que te haya gustado mi nuevo podcast y que nos sigamos oyendo en Trending Ciencia. Por cierto, si aún no has escuchado el audio, sigue este enlace.

11 pensamientos en “Francis en Trending Ciencia: El entrelazamiento entre cubits de diamante

  1. Hey!!! me acabo de enterar que finalmente entrelazaste la mula con podcast… en fin, me hiciste caso. Enhorabuena y Salu2

  2. Hola Francis:
    Dices que “entrelazar dos cubits implementados con diamante en una distancia de 3 metros parece poco, pues esta distancia es muy pequeña comparada los casi 200 km que se logran con cubits implementados con fotones”. Pero ¿no te he leído por ahí que el récor de distancia con fotones era de 144 kms.? ¿O me estoy liando?
    Por otra parte, te aviso de una pequeña errata, por si quieres pulir: después de “comparada” te falta un “con”.
    ¡Gracias!

    • Desidiactivo, el récord de 144 km se refiere al entrelazamiento de fotones (que puedes interpretar como cubits implementados con fotones); el récord de 3 metros es de cubits de estado sólido (que son mucho más robustos ante la decoherencia y quizás sean los cubits con los que se implementen los futuros ordenadores cuánticos). Son logros muy diferentes.

      • Hola Francis. Muchas gracias por contestar.
        No me he explicado bien, perdona. La diferencia entre el logro con los fotones y con los cubits diamante la tengo clara (dentro de mis limitaciones); además, lo explicas muy bien en el artículo.
        Lo que te intentaba preguntar era si el récord de entrelazamiento con fotones es verdaderamente ya de casi 200 kms., como dices en este artículo, o “sólo” de 144 kms., como me ha parecido leerte en algún otro.
        ¡Gracias de nuevo!

      • Desidiactivo, el logro es de 144 km (o sea, “casi” 200 km). Por la curvatura de la Tierra no es posible superar los 144 km (necesitas estar en lugar muy alto (el Teide en Tenerife) y enviar fotones a un lugar muy bajo (La Palma) para alcanzar 144 km; trabajar desde montañas más grandes es casi imposible). Para lograr superar el récord de 144 km la única opción es el uso de satélites.

  3. Francis, igual me equivoco pero ambos observatorios están a la misma altura o casi. También puede ocurrir que el emisor láser sea portátil y se dirija el pulso cerca de la cima del Teide, pero si no es así, emisor y receptor están a la par.

    Altitud observatorio Teide, 2.390 metros; altitud observatorio La Palma, 2.396 metros.

    • Artemio, gracias, hablé de memoria… Pero en línea recta es muy difícil llegar más lejos pues también influye la dispersión de la luz en el aire.

  4. Gracias a los dos. Me queda claro que el “récord” por ahora sigue en los 144 kms. y que hasta que nos dejen usar los satélites, ahí se va a quedar.
    Según os leo, esto se hizo mandando los fotones mediante láser. Supongo entonces que por otro medio menos inestable y donde no influya la atmósfera (fibra óptica, por ejemplo), se habrán alcanzado distancias mucho mayores, ¿no?

  5. Hola Francis, no sabrás de alguna dirección, algún sitio en internet o algo donde expliquen con bastante detalle las técnicas experimentales para conseguir partículas entrelazadas. Es que en teoría parece fácil, formar una función de onda no separable por medio de operadores que entremezclen los estados iniciales, como el Hadamard por ejemplo. Pero en la práctica es que no tengo ni idea.

    Muchas gracias !!

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