Memoria cuántica en fotones por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

La transmisión veloz de información ha sido una constante en la historia de la Ciencia y la Tecnología. Ciertamente la evolución ha sido de vértigo. No hace tanto que la transmisión se efectuaba empleando la misma tecnología que la voz a través del par telefónico. Si la temperatura ambiente es de 15 °C, el sonido se propaga a 340 m/s (1224 km/h ), lo que se denomina 1 MACH. La voz humana, de la misma naturaleza que las ondas acústicas, era susceptible de transformarla en otro tipo de ondas que se podían transmitir a través de un conductor metálico. En este caso la velocidad de propagación es la de la luz, aproximadamente 300.000 kn/s. En la escala humana, instantáneamente.

A mediados del XIX la idea era convertir las ondas acústicas en ondas eléctricas y poder transmitirlas a grandes distancias, empleando conductores metálicos. Se requería un dispositivo que efectuara la transformación: el micrófono. Como la voz humana se extiende entre 20Hz y 20kHz, el micrófono tenía que capturar ese rango de frecuencias. Hoy sabemos que no es preciso transmitir todas las frecuencias y con un rango menor es suficiente, de forma que se reduce a capturar y transmitir entre 400 Hz y 4 kHz. La voz se distorsiona un poco, pero se entiende y caracteriza bien. No nos extrañe que cuando oímos la voz de alguien por teléfono, percibamos diferencias con respecto a la percepción en directo.

El gran paso aconteció cuando se abordó la conversión analógica en digital. Es decir, una señal continua (analógica) se convertía en una discontinua (digital) Valores continuos se transformaban en valores numéricos procesables en un ordenador, que empleaba y emplea un sistema binario, por tanto ceros y unos, exclusivamente. La telefonía normal emplea señales analógicas, pero la telefonía IP, actual, requiere un formato digital. Había que digitalizar la voz. Pero si tenemos en cuenta que nuestro oído es analógico, con un sistema de detección que es una membrana que vibra en el estado que corresponde a la fuente que origina la transmisión, precisamos tras esta una nueva conversión, ahora digital analógica, para percibirla. Estos procesos combinados se denominan Procesado digital de señales. (DSP). Esta conversión analógico digital requiere completar dos procesos, el muestreo, mediante el que se capta la señal analógica, teniendo en cuenta que cuantas más muestras se consideren más fidedigna será la señal que obtendremos y tras el muestreo tiene lugar la codificación, consistente en darle un valor a las muestras, ocurriendo, también que, cuanto mayor número de bits le otorguemos, más parecida será la señal a la analógica. Cuando tenga la señal que alcanzar de nuevo el oído, hay que convertir la señal digital en analógica. Si tenemos en cuenta que la máxima frecuencia audible es de 20kHz, una frecuencia de muestreo del doble, por ejemplo, 40 kHz, es suficiente para digitalizar la voz. El estándar del CD se fijó en 44.1 kHz. Como la voz humana no alcanza nunca los 20kHz, ya que la de un bajo está en torno a unos 350 Hz y la de una soprana en torno a los 1000 Hz y la voz humano entre 70 y 1000 Hz, una frecuencia de 44.1 KHz es demasiado y requiere demasiado espacio para el almacenamiento, pudiendo reducirse drásticamente. El teorema de Nyquist que establece que para reproducir una señal que sea matemáticamente reversible la frecuencia de muestreo debe ser superior al doble de la frecuencia máxima a muestrear.. Así que, en el caso referido establece una frecuencia apropiada en 2100 Hz, aunque hoy la mayor parte de software y hardware permiten seleccionarla a voluntad. También el estándar de audio (CD) en sistemas domésticos se sitúa entre 11Hz y 22 Hz, redundando en la calidad, evidentemente. En audio profesional se emplean frecuencias en torno a 48 kHz o más, para registrar bien las altas frecuencias.

Hoy día la transmisión se efectúa empleando la luz para el transporte de la información. Ya es tan cotidiano como la fibra óptica, que transporta señales luminosas, aunque hoy día hay guía-ondas que no precisan de equipos de comunicaciones. Usualmente los transmisores son láseres de diodo (incluso leds) que operan en la zona infrarroja, que presenta menor atenuación y dispersión. Generalmente se modula la intensidad, aunque se han ensayado modulaciones de fase y de frecuencia. Situando amplificadores que aportan una señal periódica regenerativa se alcanzan grandes distancias a costes moderados. Cuando los fotones llegan al punto de destino, se transforman en electricidad que se convierte en radiación de nuevo para volver al cableado.

Pero los fotones solo se han podido emplear para transmitir información y no para almacenarla. Ahora se propone una memoria que utiliza fotones individuales para almacenar datos, como ha comunicado Dong-Sheng Ding de la University of Science and Technology of China. La tecnología consiste en producir un fotón único y almacenarlo en una nube cilíndrica de átomos de rubidio durante un tiempo de 400 nanosegundos. Tras ello se libera el fotón, cosa que no se había logrado hasta ahora. Los fotones representan la información de forma distinta a como se hace convencionalmente con los bits. Como es sabido, este solo puede tener dos estados, que denominamos 0 y 1. en cambio, un fotón tiene una estructura, ya que su momento angular orbital, que mide su helicidad, se puede manipular. Quiere decir que, en lugar de transmitir como una onda plana ordinaria, el fotón puede verse como una hélice con giro a derecha o a izquierda y a su vez con diferentes grados de giro.

Haciendo uso de esta propiedad (momento angular) se pueden codificar datos en la propia estructura del fotón. Esto tiene una gran ventaja sobre la explotación que actualmente se efectúa de los fotones. La forma convencional de utilización de los fotones ha sido a través de la polarización. Un fotón puede tener dos estados distintos de polarización: horizontal o vertical. Lo más inmediato es crear fotones en uno u otro estado y usar esta propiedad para codificar datos. La enorme ventaja de usar el momento angular es que el fotón puede producir un número infinito de estados diferentes de giro. Un solo fotón puede transportar una cantidad de información arbitrariamente elevada.

 

Desde hace mucho que se investiga la creación y detección de fotones con estructuras espaciales diferentes que puedan transportar información. Pero lo que faltaba es almacenar esos fotones incluyendo su forma y estructura detallada y liberándola en un momento posterior. Eso es lo que han logrado en la Universidad de Ciencia y Tecnología de china en Hefel. Por vez primera se han generado fotones únicos (simples) con una estructura espacial compleja, se han almacenado en una nube de átomos de rubidio y se han liberado 400 nanosegundos después, afirmando que la estructura espacial de los fotones se preserva. Y esto es un avance significativo, porque, hasta ahora se habían realizado intentos similares, usando haces láser tan débiles que probablemente contenían un solo fotón en cada instante. Sin embargo no había forma de tener certeza de que los experimentos implicaban fotones únicos. Ahora se ha empleado una técnica denominada mezclado espontáneo de cuatro ondas para generar fotones únicos y se han almacenado en un conjunto atómico frío.

El almacenamiento y liberación de fotones únicos es una de las tecnologías que pueden posibilitar el Internet Cuántico, porque son la clave de los routers cuánticos. Las memorias que pueden preservar la estructura espacial de los fotones son las que pueden permitir construir este tipo de routers. Hay muchos otros factores concomitantes, desde luego, pero este puede ser el punto de partida cabal para las comunicaciones cuánticas del futuro.