Bits cuánticos superconductores para realizar una ‘acción fantasmal a distancia’

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La superposición, el entrelazamiento y la no localidad constituyen características fundamentales de la física cuántica. Experimentos como las pruebas o test de Bell, realizadas con sistemas cuánticos entrelazados y separados espacialmente, ayudan a demostrarlo, como se reconoció en el Premio Nobel de Física de 2022.

Aunque estos test, considerados en general como una prueba de fuego de la física cuántica, se han explorado a lo largo de los últimos 50 años utilizando una amplia gama de sistemas cuánticos, solo desde hace relativamente poco se han logrado experimentos libres de las denominadas loopholes, sin lagunas o escapatorias.

Estos se han llevado a cabo de distintas formas (espines en centros de nitrógeno-vacante, fotones ópticos y átomos neutros), pero ahora, por primera vez, científicos de Suiza y España han realizado una prueba de Bell libre de loopholes con circuitos superconductores, que son uno de los principales candidatos para hacer realidad la tecnología de computación cuántica.

El experimento lo ha liderado el profesor Andreas Wallraff desde el Instituto ETH Zurich (Suiza) con la ayuda de generadores de números aleatorios desarrollados por la empresa Quside Technologies y en colaboración con el profesor ICREA Morgan W. Mitchell del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO). El resultado se ha publicado en la revista Nature.

Un solo sistema con dos objetos alejados

Trabajando con bits cuánticos superconductores, la base de los ordenadores cuánticos más avanzados en la actualidad, los resultados de los investigadores muestran la "acción fantasmal a la distancia", en la que los objetos en diferentes lugares se comportan como si fueran un solo sistema.

Los autores primero entrelazaron dos cúbits superconductores a temperaturas cercanas al cero absoluto y separados por 30 metros de distancia. Luego midieron el estado de los cúbits simultáneamente y observaron que el estado de un cúbit generalmente coincidía con el estado del otro, una respuesta coordinada o sincronizada consistente con una 'acción fantasmal a la distancia'.

Para estar seguros de que esta coordinación no se debía a señales ordinarias que viajaban de un cúbit al otro, el equipo de ETHZ eligió al azar qué tipo de mediciones realizar sobre los cúbits, y tomaron estas mediciones de manera tan rápida que ni siquiera una señal a la velocidad de la luz podría alcanzar el otro cúbit a tiempo.

Lograr superar esta hazaña requería de generadores de números aleatorios extremadamente rápidos y, para ello, el equipo de la ETHZ recurrió a Quside y al grupo del profesor Mitchell en el ICFO para desarrollar un generador de números aleatorios con una velocidad sin precedentes.

La empresa adaptó su tecnología patentada de generación de números aleatorios cuánticos (QRNG), combinando una arquitectura paralela novedosa con una fase de "extracción de aleatoriedad" extremadamente rápida. De esta forma, los dispositivos de QRNG entregaron bits aleatorios puros en 17 nanosegundos, el tiempo que tarda la luz en recorrer 5 metros.

Comunicaciones más seguras

“Nunca antes un experimento había necesitado números aleatorios tan buenos en tan poco tiempo”, comenta Carlos Abellán, CEO de Quside y coautor del estudio. Los resultados del experimento confirman que la mecánica cuántica permite correlaciones no locales, lo que significa que los circuitos superconductores pueden entrelazarse a una distancia comparativamente grande. Esto podría dar lugar a nuevos métodos de comunicaciones seguras.

"Este experimento nos empujó a desarrollar tecnologías que ahora aplicamos en el campo de la seguridad en las comunicaciones y la computación de alto procesamiento y rendimiento, que también necesitan de números aleatorios muy rápidos y de alta calidad", destaca Mitchell.

“Nuestro trabajo demuestra que la no localidad es un nuevo recurso viable en la tecnología de la información cuántica realizada con circuitos superconductores con aplicaciones potenciales en la comunicación cuántica, la informática cuántica y la física fundamental”, concluyen los autores.