Vuelo de Qudits: Desbloqueando Nuevas Dimensiones de la Comunicación Cuántica

Figura 1. El fotón de señal, manipulado por el circuito fotónico integrado, crea un qudit 4D representado por el conjunto de esferas naranjas. Mientras tanto, el fotón de ocioso, representado por la esfera azul, actúa como un control remoto para el fotón de señal. Crédito: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge, y Liang Feng, editado

Los investigadores han desarrollado un método revolucionario para la transmisión de información cuántica utilizando partículas de luz llamadas qudits, que utilizan el modo espacial y las propiedades de polarización para permitir una transferencia de datos más rápida y segura y una mayor resistencia a los errores.

Esta tecnología podría mejorar enormemente las capacidades de una internet cuántica, proporcionando comunicación segura a larga distancia y llevando al desarrollo de potentes computadoras cuánticas y encriptación inviolable.

Los científicos han logrado un avance significativo al crear un nuevo método para transmitir información cuántica utilizando partículas de luz llamadas qudits. Estos qudits prometen un futuro internet cuántico que es tanto seguro como poderoso.

Tradicionalmente, la información cuántica se codifica en qubits, que pueden existir en un estado de 0, 1, o ambos al mismo tiempo (superposición). Esta cualidad los hace ideales para cálculos complejos pero limita la cantidad de datos que pueden transportar en comunicación. Por el contrario, los qudits pueden codificar información en dimensiones más altas, transmitiendo más datos de una sola vez.

Los qubits y los qudits son ambos unidades de información cuántica, pero se diferencian principalmente en su capacidad para contener información. Un qubit, la unidad básica utilizada en la computación cuántica, puede existir en dos estados simultáneamente debido a la superposición cuántica, típicamente representados como 0 y 1, como los bits en la computación clásica. Esto le permite realizar cálculos complejos de manera más eficiente que los bits clásicos.

Por otro lado, los qudits son una generalización de los qubits y pueden existir en d estados simultáneamente, donde d > 2. Esta mayor dimensionalidad permite a los qudits contener más información que los qubits, lo que potencialmente lleva a un procesamiento y comunicación de datos más eficientes en sistemas cuánticos, ya que pueden realizar operaciones que requerirían múltiples qubits con menos qudits, aumentando la eficiencia y reduciendo la complejidad en los algoritmos cuánticos.

La nueva técnica aprovecha dos propiedades de la luz – el modo espacial y la polarización – para crear qudits de cuatro dimensiones. Estos qudits se construyen en un chip especial que permite una manipulación precisa. Esta manipulación se traduce en tasas de transferencia de datos más rápidas y una mayor resistencia a los errores en comparación con los métodos convencionales.

Una de las ventajas clave de este enfoque es la capacidad de los qudits para mantener sus propiedades cuánticas a lo largo de grandes distancias. Esto los hace perfectos para aplicaciones como la comunicación cuántica basada en satélites, donde los datos deben viajar vastas distancias sin perder su integridad.

Figura 2. (a) Las matrices de densidad recuperadas experimentalmente (fila superior) y teóricamente predichas (fila inferior) de dos estados cuánticos seleccionados. (b) Matriz de probabilidad de detección teóricamente (panel izquierdo) y experimentalmente recuperada (panel derecho). Crédito: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge, y Liang Feng

El proceso comienza generando un estado entrelazado especial utilizando dos fotones. El entrelazamiento es un fenómeno donde dos partículas se vuelven vinculadas, compartiendo el mismo destino independientemente de la separación física. En este caso, un fotón (el fotón de señal) se manipula en el chip para crear un qudit 4D utilizando su modo espacial y polarización. El otro fotón (fotón de ocioso) permanece sin cambios y actúa como un control remoto para el fotón de señal (Fig. 1).

Al manipular el fotón de ocioso, los científicos pueden controlar el estado del fotón de señal y codificar información en él (Fig. 2).

Este nuevo método tiene el potencial de revolucionar el campo de la comunicación cuántica. Abre el camino para una internet cuántica de alta velocidad que puede transmitir enormes cantidades de datos de forma segura a largas distancias. Además, puede llevar al desarrollo de protocolos de encriptación inviolables y contribuir a la creación de potentes computadoras cuánticas capaces de abordar problemas más allá del alcance de las computadoras clásicas.

Los investigadores actualmente se están enfocando en mejorar la precisión de los qudits y en escalar la tecnología para manejar dimensiones aún mayores. Creen que este enfoque tiene el potencial de revolucionar la comunicación cuántica.