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| Nuevo avance en el teletransporte cuántico |
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Hasta el momento se había conseguido el teletransporte en el ámbito de la óptica, trasfiriendo el estado de un fotón a otro. Sin embargo, recientemente se ha conseguido teletransportar el estado de un ion de Iterbio a otro y además a lo largo de la distancia record de un metro. Este avance lo ha llevado a cabo un grupo de investigación del Joint Quantum Institute (JQI) de la Universidad de Maryland (UMD). Para realizar el teletransporte, es imprescindible conseguir un estado entrelazado (ver el artículo sobre entrelazamiento cuántico) de los dos iones de Iterbio. En estos estados, cuando se mide el estado de uno de los dos iones se colapsa instantáneamente el estado del otro, lo que permite realizar el teletransporte. Se ha escogido este tipo de iones por tener dos estados de energía similar: uno el estado fundamental y otro con una energía un poco por encima. Estos dos estados juegan el papel de los dos posibles estados de un bit cuántico, o como se conoce habitualmente qubit.
El experimento se basa en el esquema de niveles de energía del ión de Iterbio y que se muestra en la siguiente figura. En el nivel más bajo en energía, el 2S1/2, hay dos estados cuya diferencia de energía es de 12.6 GHz (esta diferencia, que está dentro del espectro de microondas, es pequeña, una millonésima parte de la energía del estado fundamental del átomo de hidrógeno). Los dos estados se distinguen en el valor total del momento angular F=0,1, pero tienen la misma componente del momento angular mF=0, a lo largo de la dirección del campo magnético que se impone exteriormente . Estos dos estados los notaremos como |0> y |1>. Por encima de este nivel está el 2P1/2, que tiene otros dos estados, también uno con F=1 y otro con F=0.
|ψ(t1)>A=α|0>A+β|1>A. Igualmente, se lleva al ión B al estado |ψ(t1)>B=|0>B+|1>B. A continuación a cada ión le aplicamos un pulso, mediante un láser, de 369.5 nm durante un tiempo de alrededor de 1 ps, de modo que pasamos de los estados del nivel 2S1/2 al 2P1/2. Como este último nivel es excitado con un tiempo de vida medio de 8 ns, al cabo de un tiempo los iones caen de nuevo al nivel 2S1/2 emitiendo fotones. Si un ión parte del estado |0> y lo excitamos, al decaer emitirá un fotón de frecuencia que notaremos como νazul mientras que si parte del estado |1> y lo excitamos, al decaer emitirá un fotón de frecuencia νrojo. De esta forma, una vez que los dos iones han decaido, los estados de los iones, junto con los de los fotones que han emitido serán: |ψ(t2)>A=α|0>A|νazul>A+β|1>A|νrojo>A |ψ(t2)>B=|0>B|νazul>B+|1>B|νrojo>B A continuacion los fotones emitidos se dirigen a un divisor de haz y se hacen interferir, tal como se muestra en la figura. Se puede demostrar que el único estado posible de los dos fotones que permite que cada detector detecte un fotón es el siguiente: |ψ>fotones=|νazul>A|νrojo>B-|νrojo>A|νazul>B Por tanto, si efectivamente se detecta un fotón en cada detector, después de la detección el estado de los dos iones quedará colapsado al siguiente estado (tengo que proyectar el estado de t2 con el estado anterior de los fotones |ψ>fotones): (<νazul|A<νrojo|B-<νrojo|A<νazul|B)(α|0>A|νazul>A+β|1>A|νrojo>A)×(|0>B|νazul>B+|1>B|νrojo>B) y nos queda el estado: |ψ(t3)>iones=α|0>A|1>B-β|1>A|0>B Lo importante del paso anterior es que los estados de los iones han quedado entrelazados, de modo que la medida de uno afecta a la del otro. Este entrelazamiento no ocurre siempre. De hecho, la detección simultánea de un fotón en cada detector, que nos avisa de que ha ocurrido un entrelazamiento, tiene una probabilidad de ocurrir de 2.2×10-8. Por tanto, para que se produca el entrelazamiento hay que repetir el proceso muchas veces. Repitiéndolo con una frecuencia de 40-75 kHz, ocurre un entrelazamiento cada 12 minutos aproximadamente. Una vez conseguido el entrelazamiento, se realiza una rotación del ión A (recordar que con un pulso de microondas se puede llevar el estado de un ión a cualquier combinación de los estados |0> y |1>) para llevar los iones al siguiente estado: |ψ(t4)>iones=α(|0>A+|1>A)|1>B-β(-|0>A+|1>A)|0>B A continuación medimos el estado del ión A, y en esta medida podemos tener dos resultados, o bien obtenemos el valor 0 o bien el 1. Dependiendo del resultado que se haya obtenido, el estado del ión B después de la medida será: |ψ(t5)>B=α|1>B+β|0>B si se ha obtenido el valor 0 para el ión A |ψ(t5)>B=α|1>B-β|0>B si se ha obtenido el valor 1 para el ión A Ya sólo queda un paso y es comunicarle al ión B que transformación tenemos que hacer dependiendo del resultado que se haya obtenido en la medida del ión A. Esta comunicación se realiza por cualquier método de comunicacion clásico (mediante una señal eléctrica a través de un cable, mediante una señal luminosa,...). Si se obtuvo el valor 0 para el ión A, la transformación que hay que hacer sobre el estado del ión B es una rotación de π alrededor del eje x, Rx(π), mientras que si se obtuvo el valor 1 la transformación es una rotación de π alrededor del eje y, Ry(π). En cualquier caso, el estado del ión B después de esta última transformación será: |ψ(t6)>B=α|0>B+β|1>B Por tanto, se ha teletransportado el estado del ión A al B. Debido a la comunicación final que hay que realizar, en ningún caso se realizará un teletransporte a mayor velocidad que la de la luz. Por otro lado, el hecho de haber medido el estado del ión A implica que hemos colapsado su estado original, por lo que se ha perdido. El artículo original de donde he sacado la información se publicó en Science, en el número del 23 de enero de 2009. En la siguiente imagen se puede ver el experimento real.
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| Actualizado ( Miércoles, 25 de Febrero de 2009 09:16 ) |
Como hemos visto en un artículo anterior, la física cuántica impide la clonación de un estado. Sin embargo, lo que no está prohibido es el teletransporte del estado de un sistema a otro. Mediante el teletransporte, el estado original del primer sistema se pierde y este estado es adquirido por el segundo sistema, de modo que en ningún momento se clona el estado. El teletransporte puede ser crucial en el avance de las comunicaciones cuánticas y de la computacion cuántica. 
Vamos a analizar con detalle los pasos que hay que dar hasta conseguir el teletransporte.
Partimos de los dos iones, A y B, cada uno en una trampa de iones (tipo cuadrupolo de Paul y en las cuáles se pueden tener los iones atrapados durante semanas) inicialmente en el estado |0>. Aplicando un pulso de microondas de 12.6 GHz y controlando la fase del pulso, podemos llevar cada ion a la superposición de los estados |0> y |1> que queramos. De esta forma, se lleva el ión A a un estado 
|ψ(t2)>B=|0>B|νazul>B+|1>B|νrojo>B