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Consiguen enviar fotones de comunicación cuántica de forma eficiente

Científicos alemanes han desarrollado un método de comunicación cuántica mediante fotones, que consigue una eficiencia del 90%, frente al 1% actual. El sistema envía cada fotón de forma individual, para que si es interceptado, se de cuenta el receptor. El sistema, sin embargo, aún requiere importantes mejoras para ser comercializado. Por Carlos Gómez Abajo.

Consiguen enviar fotones de comunicación cuántica de forma eficiente

La seguridad en la transferencia de datos es un tema importante, pero a veces la necesidad de velocidad choca en parte con ella. Sin embargo, no hay duda de que cuando la transferencia es de datos sensibles, por ejemplo, de bancos o en un contexto político, la seguridad debe ser lo primero.

Este alto nivel de seguridad es una de los objetivos del Centro de Investigación Cooperativa en Nanofotónica Semiconductora, encabezada por la Universidad Técnica de Berlín (Alemania). También están involucrados matemáticos del grupo Matheon, del Instituto Zuse de Berlín.

Un modelo básico que estos científicos han desarrollado para la transferencia de información absolutamente a prueba de espionaje, utilizando fotones individuales, ha sido publicado en la revista Nature Communications.

Los datos se transfieren generalmente en forma de pulsos de luz a través de fibras ópticas. Una transferencia normal tiene lugar en forma de unos y ceros, donde un «1» está representado por un pulso de luz que comprende miles de millones de fotones y un «0» está representado por la ausencia de luz.

La transferencia realizada de esta manera corre el riesgo de que, digamos, 10.000 fotones sean desviados de los muchos miles de millones con el fin de escuchar la información. El destinatario normal ni siquiera se daría cuenta. «Como receptor, no se puede distinguir si ha llegado toda la información o si parte de ella ha sido interceptada», explica Stephan Reitzenstein, profesor del Instituto de Física de la Universidad Técnica de Berlín, en la nota de prensa publicada por el portal científico alemán Idw.

Por tanto, el objetivo de la comunicación cuántica es trabajar con fotones individuales. En pocas palabras, esto significa que cualquiera que trate de espiar tenga que sacar el fotón de la transmisión, lo que significa que el mensaje no llegará al receptor, y el intento de espiar se verá claramente.

Además, el intento de escucha cambia irreversiblemente el estado del fotón de modo que no pueda ser simplemente reinsertado en la transmisión de datos. «De ese modo, habrán perturbado el sistema de tal manera que incluso una copia se detectaría», dice Reitzenstein. Utilizando la comunicación cuántica, se podría -en teoría- hacer el espionaje completamente imposible, o al menos reducirlo al mínimo.

Hay de hecho sistemas que ya trabajan con esta base. En el proyecto alemán, sin embargo, están trabajando e investigando con fuentes de luz que aún no están disponibles comercialmente. Los sistemas disponibles emplean láseres normales con una potencia de salida de alrededor de un milivatio. Esta potencia es luego minimizada por atenuadores hasta el momento en que, en promedio, un fotón sale del sistema.

El problema, sin embargo, es que para muchos pulsos, esta fuerte atenuación hace que o bien no se emitan fotones, o que más de un fotón se emita en cada pulso. La posibilidad de fracaso de los sistemas actuales es, pues, relativamente alta, por lo que son todavía muy lentos y relativamente poco fiables.

En el mundo real, esto significa que todavía no hay una forma comercial de incitar a las fuentes de luz individuales a que emitan de forma fiable exactamente un solo fotón al pulsar un botón. «Se puede imaginar este proceso como el uso de un arma de fuego, con un fotón disparado cada vez. Aquí es donde se centra el proyecto de investigación», explica Reitzenstein.

De acuerdo con lo que él sabe, aunque estos procesos están siendo estudiados en todo el mundo, el gran progreso realizado por los investigadores de Berlín es «único». También es único el método de litografía especial empleado. Están trabajando con puntos cuánticos en un objeto diminuto semiconductor que abarca 10-20 nanómetros.

Si este punto cuántico es excitado «con sólo pulsar un botón», se almacena un electrón, con un denominado hueco como contraparte. Después de un cierto tiempo, estas dos partículas con carga opuesta se recombinan y emiten un fotón. Durante la producción, sin embargo, tales puntos cuánticos se forman al azar sobre la superficie del material semiconductor. Por lo tanto, uno nunca sabe con certeza donde se encuentra exactamente el punto cuántico en la capa activa de la muestra.

Esto conduce a un rendimiento arbitrariamente pobre en general. Los investigadores están, por tanto, desarrollando un modelo que ayude a localizar los puntos cuánticos, para que luego se les pueda incrustar en una microlente como una fuente de fotones únicos.

Óptica
 
Aquí es donde Frank Schmidt, Sven Burger y Benjamín Wohlfeil, los matemáticos, entran. Los matemáticos han calculado, y todavía están calculando, la parte óptica de la física cuántica. «Nos dieron una fuente de luz y una configuración como punto de partida. Luego tuvimos que concretar la forma, el tamaño y la profundidad óptimas de la lente, que es el componente óptico fina. En última instancia, todo se trata de la optimización de la lente, que es un problema clásico de optimización», dice Schmidt.
 
Otro problema para los matemáticos era garantizar el flujo de corriente a través del sustrato apropiado y luego calcular la cantidad de luz que finalmente sale de la lente. Esta no es una tarea trivial, ya que los metales también absorben la luz. «Todos estos son requisitos previos para decidir si vamos a obtener un diseño manufacturable y comercial de este efecto físico», añade Wohlfeil.
 
En consecuencia experimentaron con muchas formas diferentes de lentes. Hicieron falta potentes ordenadores y una gran cantidad de matemáticas para llevar estos cálculos a una forma manejable. Al final, los matemáticos lograron un gran éxito, aumentando la luz emitida en sus modelos desde alrededor de un 1 por ciento hasta más del 60 por ciento.
 
Así, las microlentes desarrolladas apenas se diferencian de una lente normal, excepto porque en este caso la lente se utiliza en sentido inverso. El «punto focal» es la fuente de fotones únicos para que la lente emita de manera eficiente el fotón a ese entorno, en este caso el canal de comunicación. Sin una lente tal, sólo una de cada cien fotones lo conseguiría.
 
Mientras tanto, durante el proceso de producción de la lente, se eliminan todos los otros puntos cuánticos que estorban para garantizar que sólo uno, el punto cuántico efectivo, esté en el objetivo. Esto requiere un elaborado método de litografía in situ desarrollado durante los últimos tres años en el grupo de Reitzenstein.
 
El método ofrece, por tanto, un control total para producir la lente con punto cuántico integrado óptima. El punto cuántico y la lente se hacen del mismo, idéntico material. El rendimiento está en torno al 90 por ciento, a diferencia de los métodos descritos habitualmente, que alcanzan típicamente un rendimiento de sólo el uno por ciento.

Consiguen enviar fotones de comunicación cuántica de forma eficiente

Obstáculos

El proceso no está, por supuesto, lo suficientemente maduro como para ser incorporado en los dispositivos finales. El principal obstáculo es que requiere muy bajas temperaturas, de menos de -240 grados centígrados, para funcionar. Resolver el problema de refrigeración es un objetivo importante.

Otra tarea será la de modificar la longitud de onda de emisión, de 900 nanómetros hasta los 1.300 nanómetros utilizados normalmente en las telecomunicaciones, y luego acoplar la fuente directamente a una fibra de vidrio.

Por último, existe todavía el problema del alcance demasiado corto de esta transferencia de datos cuántica, ya que este tipo de comunicación, en principio, no permite la amplificación de la señal. En todos los cables de fibra óptica convencionales, los datos se amplifican repetidamente cada pocas decenas de kilómetros con el fin de lograr el mayor rango posible.

En la comunicación cuántica, sin embargo, se va a tener que depender de la teletransportación, que todavía es más propia de las películas de ciencia ficción. Una vez más, harán falta de nuevo los matemáticos de Matheon para acelerar la transferencia. En cualquier caso, Reitzenstein no espera que esto se consiga en los próximos cuatro años.

Forma

Hace un año, investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU/e) y la fundación FOM (de Investigación Fundamental sobre la Materia), ambas de Países Bajos, consiguieron controlar la forma de los fotones transmitidos en una comunicación de datos, otro requisito para las comunicaciones cuánticas. La forma de los fotones es cómo se distribuye su energía a través del tiempo, y debe ser simétrica para que la comunicación sea exitosa.

Los investigadores consiguieron el grado requerido de control mediante la incorporación de un punto cuántico a un cristal fotónico, creando así una cavidad óptica. A continuación, aplicaron un impulso eléctrico muy corto a la cavidad, que influye en cómo interactúa el punto cuántico, y en cómo se emite el fotón. Mediante la variación de la fuerza de este pulso, fueron capaces de controlar la forma de los fotones transmitidos.

Referencia bibliográfica:

M. Gschrey, A. Thoma, P. Schnauber, M. Seifried, R. Schmidt, B. Wohlfeil, L. Krüger, J. -H. Schulze, T. Heindel, S. Burger, F. Schmidt, A. Strittmatter, S. Rodt & S. Reitzenstein: Highly indistinguishable photons from deterministic quantum-dot microlenses utilizing three-dimensional in situ electron-beam lithography. Nature Communications (2015). DOI:10.1038/ncomms8662.

RedacciónT21

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