Físicos logran teletransportar estados cuánticos por 100 canales en paralelo

Físicos teletransportaron simultáneamente estados cuánticos de luz a través de 100 canales ópticos controlados de forma independiente. En la instalación de laboratorio los investigadores ensamblaron los canales en una rejilla 10 × 10 y trasladaron el estado codificado en ellos de modo que en el lado receptor lograron reconstruir un dibujo de 100 píxeles con la forma de la letra Q. Los autores consideran el resultado un paso hacia redes cuánticas que tendrán que transmitir múltiples estados en paralelo, no uno por uno.

Por teletransportación aquí no se entiende el traslado de partículas o de una imagen a través del espacio. La teletransportación cuántica permite reproducir el estado de un sistema en otro, usando un entrelazamiento cuántico preparado de antemano. El objeto original en tal proceso no desaparece ni aparece en otro lugar, y el método en sí no permite transmitir información útil más rápido que la luz.

En el experimento, los físicos dividieron el perfil transversal del haz láser en 100 modos espaciales. Cada modo funcionó como un canal separado y se controló de forma independiente respecto a los vecinos. Un modulador espacial de luz con hologramas computacionales permitía cambiar la configuración de toda la rejilla por software.

Para cada uno de los cien canales, los investigadores prepararon el modo óptico entrelazado correspondiente. La luz entrelazada se generó mediante mezcla de cuatro ondas en vapor caliente de rubidio, donde la interacción de varias ondas de luz da lugar a nuevos campos ópticos correlacionados. Para que las condiciones se mantuvieran aproximadamente iguales en toda la rejilla, el haz de bombeo se hizo casi uniforme en intensidad.

Una de las principales dificultades no era crear los cien canales, sino procesarlos simultáneamente. El esquema habitual de teletransportación cuántica para un gran número de canales se complica rápidamente, ya que cada uno puede necesitar detectores individuales, procesamiento electrónico y corrección del estado. Los autores sustituyeron ese conjunto por un esquema totalmente óptico común, que realizaba las operaciones necesarias de forma simultánea para toda la rejilla.

Para la demostración, los investigadores distribuyeron la imagen de la letra Q en una rejilla 10 × 10, donde cada modo espacial desempeñaba el papel de un píxel. No se transmitía el color o el brillo habitual del píxel, sino el estado cuántico continuo del campo óptico, determinado por su amplitud y fase. Tras procesar los cien canales, el sistema reconstruyó el dibujo completo en el lado receptor.

Los físicos comprobaron no solo la similitud de la imagen obtenida con la original. Para cada canal midieron la precisión de reproducción del estado cuántico, que en experimentos de este tipo se denomina fidelidad. El valor medio para los cien modos fue 0,60, frente a un límite clásico de alrededor de 0,52. Los 100 canales superaron los respectivos límites alcanzables sin usar entrelazamiento cuántico.

El trabajo en paralelo es necesario sobre todo para aumentar la capacidad de transmisión de futuras redes cuánticas. Experimentos anteriores a menudo transmitían estados de forma secuencial o combinaban varios canales en distintas propiedades de un mismo haz, lo que obligaba al receptor a realizar un procedimiento complejo de separación de datos. Los modos espacialmente separados pueden controlarse por separado, manteniendo al mismo tiempo el procesamiento simultáneo de todo el grupo.

Aún falta mucho para una red cuántica operativa. El experimento se llevó a cabo en un sistema óptico de laboratorio y no demostró la transmisión de cien canales a larga distancia por fibra óptica urbana o por espacio libre. El resultado muestra ante todo la posibilidad de aumentar el número de estados cuánticos procesados en paralelo.

El tamaño de la rejilla lo limitó la potencia disponible del láser de bombeo, que era de aproximadamente 1 W. Los autores esperan que láseres más potentes y amplificadores permitan aumentar el número de modos espaciales. La misma arquitectura se quiere aplicar en el futuro no solo para la teletransportación, sino también para la creación de estados cuánticos de gran escala, la computación distribuida y redes con varios nodos cuánticos.