El detector cuántico de la NASA abre una puerta a lo desconocido
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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