QUANTUM ROUTER

Físicos chinos de la Universidad Tsinghau dan a conocer un 'router' que utiliza una señal de control cuántica para determinar la ruta de una señal cuántica de datos. Según informa Technology Review, los físicos han estado aprovechando desde hace algún tiempo la naturaleza cuántica de los fotones para transmitir información. Y al hacerlo han descubierto lo potente que puede ser la comunicación cuántica en comparación con la clásica.
En lugar de enviar 0 y 1 de código digital, los comunicadores cuánticos pueden enviar información en una superposición de estados que representan tanto 0 y 1 a la vez. Es más, pueden combinarse objetos cuánticos distintos, como por ejemplo un par de fotones, lo que significa que comparten la misma existencia incluso estando ampliamente separados. Eso conduce a una forma de información cuántica sin contrapartida clásica.
La información cuántica sustenta una serie de tecnologías emergentes que, para muchos físicos, tendrán un gran impacto en la sociedad del futuro: potentes ordenadores cuánticos, criptografía cuántica (casi) perfecta y un Internet cuántico para distribuir estas capacidades alrededor del planeta.
Sin embargo, existe un problema con esta visión cuántica del futuro. Por el momento, los físicos solo pueden enviar fotones que lleven información cuántica a lo largo de una sola fibra óptica.
Guiar los fotones por otra fibra es un proceso llamado enrutamiento, que utiliza una señal de control para determinar el destino y la vía de una señal de datos. Un router clásico simplemente lee los datos de la señal de control y dirige la señal de datos en consecuencia. 

Pero en el mundo cuántico, la lectura de una señal de control también la destruye. Por lo tanto, solo ha sido posible enrutar señales cuánticas de datos usando señales clásicas de control. Y a pesar de que resulta práctico, no permite que el proceso de enrutamiento saque todo el potencial de la información cuántica.
Xiuying Chang y algunos compañeros de la mencionada Universidad en China, anunciaron haber construido y probado el primer router cuántico capaz de utilizar una señal de control cuántica para determinar la ruta de una señal de datos cuántica. "Es la primera demostración de prueba de principio de un verdadero router cuántico", aseguran.
En este nuevo dispositivo, la información está codificada en la polarización de los fotones, ya sea de forma horizontal o vertical. El grupo chino comienza creando un solo fotón en una superposición de estados de polarización horizontal y vertical. 

A continuación, convierten ese fotón en un par de fotones de menor energía que se enredan, un proceso llamado conversión paramétrica a la baja. Ambos fotones están también en una superposición de estados de polarización.El router funciona mediante el uso de la polarización de uno de estos fotones como señal de control para determinar la ruta de la otra, la señal de datos. El dispositivo es simple, poco más que una colección de medio espejos para orientar fotones y placas de onda para la rotación de la polarización.
En primer lugar se sigue la ruta del fotón de datos, que está determinada por un conjunto de medio espejos que la envían de una forma u otra, dependiendo de su polarización. El truco está en configurar el router para que la polarización del fotón de control influya esta ruta.
El grupo chino lo consigue mediante la rotación de la polarización de los fotones de control utilizando placas de medio y un cuarto de onda, a medida que el fotón de datos llega a los medio espejos. El fenómeno cuántico del entrelazamiento asegura entonces que el fotón de datos sea dirigido en consecuencia. En efecto, el router funciona como una puerta lógica.
Por supuesto, el éxito del enrutamiento es una probabilidad como todos los otros fenómenos cuánticos. Chang y compañía han terminado su experimento verificando aquellas características que resultan parecidas a las de una puerta lógica del router, y garantizando que ambos fotones siguen enredados aún después de pasar por ella.
Este es un paso interesante hacia adelante, aunque el nuevo router tiene limitaciones significativas. La más importante es que puede manejar solamente un bit cuántico (o qubit) a la vez. Y puesto que el proceso de la conversión paramétrica a la baja no puede manejar más qubits, no se puede ampliar a un mayor número de qubits.
Eso no quiere decir que nunca lleguemos a tener routers cuánticos escalables. Varios grupos están trabajando en diferentes enfoques que tienen el potencial de poder ser ampliados.
El Internet cuántico está en camino, el progreso es constante, pero lento. 

"Dos cosas contribuyen a avanzar: ir más deprisa que los otros o ir por el buen camino". René Descartes 


"End of transmission"

REPETIDORA PARA RED CUANTICA

Al pensar en una red de computadores convencional, un componente esencial de este tipo de sistemas lo constituye un elemento que amplifique y replique la señal en su trayecto de un emisor hacia un receptor a grandes distancias. Este dispositivo se denomina repetidora y en un esquema de una Internet Cuántica, su construcción presenta grandes desafíos, ello debido a que una señal cuantica arbitraria debe preservar su naturaleza cuántica, lo que significa que no es posible emplear los métodos convencionales de amplificación para tal fin.
A pesar de todo lo mencionado, la construcción de estos dispositivos puede ser alcanzada, para ello se emplea una característica de los sistemas cuánticos conocida como entrelazamiento (entanglement), en la cual dos partículas subatómicas, permanecen indefectiblemente interrelacionadas, si han sido generadas en un mismo proceso.
Estas partículas forman subsistemas que no pueden describirse separadamente. Cuando una de las dos partículas sufre un cambio de estado, la otra lo sufre automáticamente, lo cual sucede de forma instantánea y con independencia de la distancia que las separe en ese momento. Para que esta característica sea empleada en redes cuánticas a grandes distancias, es necesario emplear un entrelazamiento compartido, el cual permite realizar el teletransporte de un estado cuántico arbitrario.

El canal físico por donde se envía la información que permitirá interconectar los distintos computadores cuánticos es igual al empleado en las grandes redes como lo es la fibra óptica. 
Un esquema de repetidora cuántica puede ser llevado a cabo dividiendo el canal físico en pequeños segmentos, cuya longitud es determinada teniendo en cuenta las posibles perdidas de información debidas a efectos de decoherencia o de desorden de los qubits.
Los segmentos son conectados por nodos que son procesadores cuánticos operando con unos cuantos qubits, los cuales almacenan los estados cuánticos y realizan operaciones cuánticas que preservan el entrelazamiento, de tal manera que la información puede ser transferida de segmento a segmento. La fidelidad de la información en este tipo de sistemas puede ser manejada por un protocolo de purificación de entrelazamiento.
En la actualidad existen diversos esquemas tanto teóricos como experimentales para la creación de repetidoras cuánticas, sobresaliendo de entre ellos una reciente demostración de teleportación de alta fidelidad de fotones en una fibra óptica a través del río Danubio en Viena, Austria en 2004, lo que pronostica que en pocos años este tipo de dispositivos serán una realidad.
El entrelazamiento cuántico implica la noción de que las partículas se pueden conectar de tal manera que el cambio de estado de uno afecta al otro al instante, incluso cuando están a millas de distancia.
 
Científicos, procedentes de Gran Bretaña, Japón, Canadá y Alemania, creen que los ordenadores cuánticos súper rápidos, basado en bits cuánticos – o qubits – serán capaces de probar muchas soluciones posibles a un problema a la vez.

Los investigadores utilizaron los campos magnéticos de alta y baja temperatura para producir entrelazamiento entre el electrón y el núcleo de un átomo de fósforo embebido en un cristal de silicio.
El procedimiento se aplicó en paralelo a un gran número de átomos de fósforo, dijeron. El electrón y el núcleo se comporta como un pequeño imán, o los llamados ‘spin’, cada una de ellos puede representar un bit de información cuántica. Cuando se controla de la manera correcta, estos giros pueden interactuar entre sí.
 
Stephanie Simmons de la Universidad de Oxford dijo: “La clave para la generación de entrelazamiento era alinear primero todos los giros mediante el uso de altos campos magnéticos y bajas temperaturas”. “Una vez logrado esto, los giros se pueden hacer para interactuar entre sí utilizando microondas y pulsos de radiofrecuencia con el fin de crear el enredo, y luego demostrar que se ha hecho.” 

”El entrelazamiento cuántico implica una acción fantasmal a distancia”. Albert Einstein


“End of transmission”.

 
 

ATOMOS DE MEMORIA CUANTICA

Hasta hace algunos años, los dispositivos de computo cuántico tan solo podían en teoría procesar información, más no almacenarla. En el año 2004, un grupo integrado por científicos del Niels Bohr Institute, en Dinamarca, y el Max-Planck-Institut für Quantenoptik, en Garching, Alemania, desarrollaron una técnica experimental a través de la cual es posible almacenar impulsos de luz en átomos mediante un protocolo que confiere a la información almacenada un 70% de confiabilidad.
Esta memoria atómica, equivalente a una memoria ram de cualquier computadora actual, fue creada con un sistema gaseoso de átomos de Cesio, logrando retener información por cuatro milisegundos, lo cual significa que el ruido cuántico presente en el sistema durante este tiempo es mínimo, permitiendo que dos propiedades de la luz como lo son su amplitud y fase pueden transferirse a la materia con gran fidelidad.

Este hecho, aparentemente sencillo abre la posibilidad de crear una red constituida por computadores cuánticos, en la cual la transmisión de información se realiza a través de fotones por canales clásicos como lo es la fibra óptica, pero para ello es necesario contar con otro elemento de vital importancia y es la Repetidora Cuántica

Cada qubit de la memoria de un computador cuántico tiene que cumplir dos objetivos contradictorios, por un lado, debe estar aislado del entorno para evitar que la decoherencia cuántica destruya su estado y, por otro lado, debe poder interaccionar con otros sistemas cuánticos para que se pueda leer y/o escribir dicho estado. Parece imposible lograrlo, pero hay un truco obvio, almacenar el qubit en dos sistemas cuánticos bien separados, uno que esté bien aislado y permita un almacenamiento durante mucho tiempo, y otro que sea de fácil acceso.
Las memorias cuánticas de estado sólido cumplen con este requisito: utilizan el espín nuclear para almacenar los qubits de forma “permanente” y que acoplan, gracias a la llamada interacción hiperfina, dicho espín al de un electrón con el que se puede interaccionar mediante técnicas ópticas con rapidez y eficacia. Se han utilizado átomos de carbono 13 aislados en un diamante de carbono 12 ultrapuro a temperatura ambiente.
Se han utilizado átomos de fósforo 31 aislados en un bloque de silicio 29 ultrapuro como qubits a temperaturas criogénicas.
Ambas técnicas son muy prometedoras, sus análisis teóricos son optimistas, pero si se confirman será un paso enorme en dirección hacia la fabricación de ordenadores cuánticos de utilidad práctica.

"Somos nuestra memoria, somos ese quimérico museo de formas inconstantes, ese montón de espejos rotos". Jorge Luis Borges

"End of transmission".

COMPUERTAS PARA LOS QUBITS

De la misma forma que en la electrónica convencional, en computación cuántica existen circuitos que realizan y llevan a cabo los procesos de cómputo. En este esquema, una compuerta lógico cuántica es una función que realiza un operador unitario en un conjunto de qubits seleccionados en un cierto periodo de tiempo. En la teoría clásica las compuertas lógicas constituyen un conjunto claramente finito, debido a que el espacio de estados de un qubit es continuo, el número de posibles transformaciones unitarias también lo es, y, en consecuencia, existen infinitas compuertas cuánticas.


Una característica muy importante que presentan los circuitos cuánticos es su capacidad de hacer computación reversible. Para entender este concepto, es necesario considerar un esquema donde el procesamiento de información se realiza al interior de una caja negra con igual conjunto de líneas de entrada y salida, es decir, por cada línea de entrada hay una y solo una línea de salida, la cual esta predeterminada por su entrada. En la situación más trivial, las señales simplemente se propagan a través de la caja sin modificarse. En estas circunstancias, la salida no lleva más información que la entrada. Si se conoce la salida, es posible calcular la entrada, por lo cual se dice que la computación de este proceso es reversible.

Muy distinto es lo que ocurre con una compuerta lógica convencional, como por ejemplo la compuerta AND. Para este caso se tienen dos líneas de entrada y solo una de salida. Hay tres posibles estados que pueden conducir a una salida cero. Por lo tanto se ha perdido irremediablemente información sobre la entrada y consecuentemente la compuerta AND es irreversible. Esta reducción en el espacio de fase de las entradas hacia las salidas trae consigo una forzosa disminución de la entropía o grado de desorden del sistema, lo cual es compensado con la generación de calor, por consiguiente, sistemas no reversibles se calientan.
En 1982, Charles Bennett de IBM demostró que sistemas de computo reversible operan con procesos de pérdida de energía por disipación de calor mínimo. Desde el punto de vista nanoscópico, las compuertas cuánticas si son reversibles debido que al estar descritas las operaciones que ellas realizan por operadores unitarios, estos procesos de reversibilidad aparecen de forma natural, por consiguiente es de esperar que los sistemas de computo mecánico cuántico presenten además de una alta velocidad de procesamiento una mayor eficiencia termodinámica, con un mínimo de consumo de energía.

“La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.Ley de Termodinámica

"End of transmission"

THOLIAN Q-WEB

En esta primera publicación de mi nuevo blog, quiero hacer una salvedad. Este no es un blog sobre astrofísica ni de ciencia ficción como mis otros dos, pero las futuras aplicaciones de mecánica cuántica en la informática, tienen un componente de la física y por decirlo también un poco de la ciencia ficción. Las propiedades de las partículas subatómicas se rigen por leyes completamente distintas a las de la física clásica, parecen estar en un universo paralelo, en otra dimensión de las que habitualmente el mundo macro se encuentra.
Por eso, no puedo dejar de escribir, lo que me dejó en su momento un capítulo de la serie de culto de mi adolescencia "Viaje a las Estrellas", serie que sirvió de inspiración de muchos productos de hoy, y aliciente científico de muchos creadores, incluído ese grande de la informática que fue Steve Jobs.
Corría Noviembre de 1968 y se estrenaba el episiodio " The Tholian Web", la nave Enterprise de la Federación de planetas se adentra en un universo paralelo y con seres que no son amigables quedan atrapados en una telaraña de energía, donde el capitán del Enterprise aparece y desaparece en la intersección de los universos ó dimensiones, dos estados superpuestos.
Ser o no ser ó ambos a la vez, base para la computacíon cuántica.
La potencialidad de este nuevo esquema en comparación con la computación clásica, radica en que su escenario de trabajo no solo se restringe a dos únicos estados de operación (0,1), al contrario, se puede obtener multitud de estados intermedios como resultado de la superposición de estas dos posibilidades. Esto trae consigo que al ser realizada una operación, el sistema permita evaluar todas las posibilidades en un solo paso, es decir, realizar una computación en paralelo, lo que se traduce en reducción del tiempo y aumento en la velocidad de procesamiento.
Con la aparición de los protocolos de comunicación cuántica en 2001 que son más poderosos que los alcanzados clásicamente y con la primera implementación experimental de un memoria cuántica por luz en 2004 , aparece la idea de poder interconectar componentes de procesamiento cuántico de una forma eficiente, los cuales operarían como una gran red cuántica.

Al igual que en los sistemas clásicos de computo en los cuales la mínima unidad de información es el bit, en la teoría de la computación cuántica este elemento tiene su contraparte y se denomina bit cuántico ó qubit . Aunque esta entidad se describe como un objeto matemático, los dos estados posibles para un qubit son 0 y 1 ó matricialmente (1,0)-(0,1) , que corresponden en analogía al 0 y 1 de un bit clásico, con ciertas propiedades específicas, tiene una realidad física y tangible, la cual se representa a través de un sistema cuántico de dos estados, pero en el cual todo su tratamiento es enteramente abstracto, dando libertad de generar una teoría general de la computación e información que no depende del sistema físico que se emplee para su implementación.

La habilidad de un sistema cuántico de existir simultáneamente en una mezcla de todos los estados permitidos es conocida como "Principio de Superposición"  y es una característica completamente cuántica. Esto significa que mientras en un sistema clásico el bit tiene una información concreta a la cual se puede acceder sin perturbarla, el qubit siempre proporciona un resultado probabilístico.

Es importante para la comunidad apreciar este nuevo paradigma de computación, ya que existen cambios muy radicales en la forma de pensar acerca de computación, programación y redes, que veremos en sucesivas publicaciones.

"En ciencia uno intenta decir a la gente, en una manera en que todos lo puedan entender, algo que nunca nadie supo antes". Paul Dirac

"End of transmission"