Q-CAYLE: Comunicaciones cuánticas seguras en Castilla y León

El Ministerio de Ciencia e Innovación y la comunidad autónoma de Castilla y León han aprobado la financiación del proyecto “Q-CAYLE: Comunicaciones cuánticas seguras en Castilla y León” dentro del área científico-técnica de comunicación cuántica, en el que participan investigadores de las universidades de Salamanca, Burgos y Valladolid, y que gestiona el Centro de Supercomputación de Castilla y León.

Los profesores Miguel Ángel González León, Juan Mateos Guilarte, Marina de la Torre Mayado, Alberto Alonso Izquierdo, Jesús Martín Vaquero y José Manuel Fernández Queiruga, miembros del grupo de investigación reconocido de Física Matemática de la Universidad de Salamanca, participan en el proyecto Q-CAYLE, con la colaboración de los estudiantes de doctorado Alberto Balseyro Sebastián y Raúl Sánchez López.

Este Plan Complementario de I+D+I supone un paquete de medidas para el fortalecimiento de las capacidades del Sistema Español de Ciencia, Tecnología e Innovación integradas dentro del Plan de Recuperación, Transformación y Resilencia. El objetivo que persigue es la modernización de la economía española, la creación de empleo y la reconstrucción del país tras la crisis de la COVID-19, y para ello se busca la coordinación de las políticas en materia de innovación de la Administración General del Estado y de las Comunidades Autónomas. El Plan tiene una dotación presupuestaria global de 200 millones de euros para este año y para el 2022 en ocho áreas científico-técnicas. Castilla y León participa en el área de comunicación cuántica, en un proyecto coordinado con las comunidades autónomas de Cataluña, Madrid, el País Vasco y Galicia, con una dotación económica para los próximos tres años de 3,5 millones de euros en Castilla y León.

Q-CAYLE: Comunicaciones cuánticas seguras en Castilla y León

La Mecánica Cuántica es una teoría que explica el funcionamiento del mundo microscópico de moléculas, átomos, electrones… Gracias a ella se ha conseguido entender la realidad en ese nivel, muy diferente a la que vemos y sentimos en nuestra vida cotidiana, ya que en el mundo microscópico tienen lugar sucesos que no ocurren en el mundo macroscópico. La comprensión del mundo microscópico a través de la Mecánica Cuántica ha permitido en el siglo XX el desarrollo de herramientas técnicas capaces de mejorar notablemente la vida de las personas: el láser, la resonancia magnética y otros muchos instrumentos médicos, los semiconductores y los dispositivos asociados a ellos. Las nuevas tecnologías cuánticas del siglo XXI se basan en la utilización de propiedades específicamente cuánticas, como la superposición y el entrelazamiento, para el desarrollo de nuevas técnicas radicalmente innovadoras. La superposición describe cómo una partícula cuántica puede encontrarse en diferentes estados a la vez, lo que tiene prometedoras aplicaciones en el campo de la computación, y el entrelazamiento, que describe cómo dos partículas cuánticas muy alejadas pueden estar “conectadas” de forma instantánea, de especial aplicación en las comunicaciones. El proyecto que se desarrollará en estos tres años pretende utilizar estas propiedades para diseñar nuevas tecnologías de comunicaciones mucho más eficientes y seguras que las actuales.  

El objetivo esencial del proyecto aprobado es el impulso a la investigación, innovación y transferencia en el ámbito de las comunicaciones cuánticas en Castilla y León aprovechando las infraestructuras del Centro de Supercomputación de Castilla y León (SCAYLE) y la experiencia en investigación del “Grupo Interuniversitario de Tecnologías Cuánticas”, formado por investigadores de dos Unidades de Investigación Consolidadas de las Universidades de Burgos, Salamanca y Valladolid: “Física Matemática” y el grupo de “Fotónica, Información Cuántica y Radiación y Dispersión de Ondas” de la Universidad de Valladolid.

RedCAYLE

El proyecto pretende constituir un entorno distribuido regional de generación y retención de talento en comunicaciones y computación cuántica. Así mismo, persigue el diseño, planificación, despliegue y puesta a disposición de los grupos de investigación y empresas de la región, de una red experimental de comunicaciones cuánticas para la prestación de conexiones fiables y seguras sobre la infraestructura de la red regional de I+D+I RedCAYLE. El proyecto también pretende aprovechar la presencia del Instituto Nacional de Ciberseguridad (INCIBE) en nuestra comunidad autónoma para explotar las potencialidades de la comunicación cuántica en el campo de la ciberseguridad.

El interés esencial del proyecto es su impulso para mejorar las capacidades científicas, tecnológicas y de transferencia en el ámbito de las Tecnologías Cuánticas y la creación de un “ecosistema cuántico”, que englobe desde la investigación fundamental hasta su transferencia al tejido empresarial.

Castilla y León necesita acometer una profunda transformación que le permita incorporarse a la “segunda revolución cuántica” que está desarrollándose, para lo cual debe dotarse de nuevas infraestructuras e investigadores del más alto nivel en el ámbito de las Tecnologías Cuánticas. El impacto del proyecto se reflejará sin duda en la mejora de la competitividad de los grupos de investigación y de las empresas de la comunidad.

El Gato de Cheshire cuántico.

Desde sus inicios, la teoría cuántica ha revelado fenómenos extraordinarios y contraintuitivos, como la dualidad onda-partícula, los gatos de Schrödinger y la no localidad cuántica. Otro fenómeno paradójico hallado en el marco de la mecánica cuántica es el «gato de Cheshire cuántico»: si un sistema cuántico se somete a una determinada preselección y postselección, puede comportarse como si una partícula y su propiedad estuvieran separadas espacialmente.

El fenómeno recibe el nombre del enigmático felino del cuento de «Alicia en el país de las maravillas», que se desvanece dejando su sonrisa flotando en el aire.

Denkmayr, T., Geppert, H., Sponar, S. et al. Observation of a quantum Cheshire Cat in a matter-wave interferometer experimentNat Commun 5, 4492 (2014). https://doi.org/10.1038/ncomms5492. DESCARGAR PDF

Para su hazaña, que describen en la revista especializada Nature Communications, los investigadores tomaron un haz de neutrones y los separaron de sus momentos magnéticos, como cuando los pasajeros se separan brevemente de su equipaje en el control de seguridad de los aeropuertos.

Y el mismo truco de separación podría en principio realizarse con cualquier propiedad de cualquier objeto cuántico, aseguran sus creadores, científicos de la Universidad de Tecnología de Viena, Austria.

Se ha sugerido emplear mediciones débiles para explorar la naturaleza del Gato de Cheshire. Aquí informamos de un experimento en el que envían neutrones a través de un interferómetro de cristal de silicio perfecto y se realizan mediciones débiles para sondear la ubicación de la partícula y su momento magnético. Los resultados experimentales sugieren que el sistema se comporta como si los neutrones atravesaran una trayectoria del haz, mientras que su momento magnético viaja por la otra.

En la clásica historia para niños de Lewis Carroll, el Gato de Cheshire desaparece lentamente del cielo y deja solamente su sonrisa pícara. Ante esto, Alicia exclama: «He visto a menudo un gato sin sonrisa, pero no una sonrisa sin gato. ¡Es la cosa más curiosa que he visto en mi vida!»

La idea de un «Gato de Cheshire cuántico» fue propuesta por primera vez en 2010 por Jeff Tollasksen, de la Universidad de Chapman, en Estados Unidos, uno de los autores de este nuevo trabajo.

El gato (el neutrón) va por el camino de arriba, y su sonrisa (el momento magnético) va por el de abajo.

En el mundo que conocemos, un objeto y sus propiedades siempre van juntos. Una pelota que gira, por ejemplo, no puede separarse de su rotación. La teoría cuántica predice que una partícula (como un fotón o un neutrón) puede separarse físicamente de una de sus propiedades, como su polarización o su momento magnético (la fuerza con la que se acopla a un campo magnético externo).

«Encontramos el gato en un lugar, y su sonrisa en otro», explican los investigadores. La analogía felina es un guiño al gato de Schrodinger – el experimento imaginario en el que, dentro de una caja, un gato está muerto y vivo al mismo tiempo, ilustrando un fenómeno cuántico conocido como superposición.

La precisión del gato cuántico

Para probar que el Gato de Cheshire no es sólo una teoría simpática, los científicos usaron una máquina llamada interferómetro en el Instituto Laue-Langevin (ILL) en Grenoble, Francia.

Allí hicieron pasar un haz de neutrones por un cristal de silicona dirigiéndolo en dos caminos diferentes, como los pasajeros y sus maletas en el control de los aeropuertos. Al aplicar filtros y una técnica conocida como «post selección» pudieron detectar la separación física de los neutrones de sus momentos magnéticos. «El sistema se comporta como si los neutrones fueran por un camino, mientras sus momentos magnéticos viajan por el otro», detallaron los expertos.

Pero para poder ver este Gato de Cheshire se requiere lo que los físicos cuánticos llaman una «medición débil», en la que interactúan con un sistema muy suavemente para evitar que colapse de su estado cuántico a uno clásico. Sus delicados aparatos pueden tener aplicaciones útiles para la metrología de alta precisión, dicen los autores. «Por ejemplo, uno podría imaginar una situación en la que el momento magnético de una partícula eclipsa a otra de las propiedades de la partícula que uno quiere medir con mucha precisión».

«El efecto del Gato de Cheshire puede dar lugar a una tecnología que permita separar el momento magnético no deseado a una región donde no cause perturbación a la medición de alta precisión de la otra propiedad», dicen los creadores del enigmático gato cuántico.


FUENTE: BBC News. James Morgan

Cuantix: la ciencia en cómic

La física cuántica y la teoría de la relatividad tienen muy mala fama. Sus propuestas son un complejo galimatías solo comprensible para unos cuantos elegidos: físicos teóricos, profesores universitarios y otras tantas mentes privilegiadas. Este cómic, dirigido a todos los públicos, viene en nuestra ayuda. La vida cotidiana de una familia normal, y de un conjunto de amigos muy simpáticos, nos servirán para comprender asuntos tan interesantes como que el tiempo se desacelera cuando nos movemos a mayor velocidad, que estamos hechos casi por completo de vacío y que el tiempo, la materia y la energía no existen tal como los percibimos. A través de ilustraciones divertidas, de ejemplos ingeniosos y de mucho humor, «Cuántix» nos abre las puertas a una dimensión desconocida y nos presenta a los investigadores cuyas ideas han revolucionado nuestra visión de la realidad: ¡Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Bohr… y muchos otros!

Lo más importante de un descubrimiento científico es su divulgación, por eso el periodista Laurent Schafer ha creado un tebeo donde se divulgan las interacciones entre los componentes esenciales del universo.

A través de sus ingeniosas viñetas descubrimos lo fácil que resulta aprender todo aquello que se presenta como asunto de una dimensión desconocida. La Teoría de la relatividad, la Teoría de cuerdas o La paradoja de los gemelos se convierten en temas sumamente divertidos. Por decir no quede que Schafer consigue familiarizarnos con Heinsenberg, Hawking y hasta con el gato de Schrödinger.

Bajo su aspecto de tebeo subyace un trabajo de alcance científico que debería ser incluido como libro de texto en los colegios. En definitiva, una de esas publicaciones que consiguen que aprendamos física divirtiéndonos.

La propiedad de Kadison-Singer.

Marco Stevens. The Kadison-Singer Property. Springer, 2016. (BRIEFSMAPHY, volume 14). DOI https://doi.org/10.1007/978-3-319-47702-2

DESCARGAR PDFDESCARGAR EPUB

Este libro ofrece una clasificación completa de todas las álgebras con la propiedad de Kadison-Singer, cuando se restringe a espacios de Hilbert separables.

La propiedad de Kadison-Singer trata de la siguiente cuestión: dado un espacio de Hilbert H y una subálgebra abeliana unital C* de B(H), ¿se extiende cada estado puro en A de forma única a un estado puro en B(H)? Esta pregunta tiene profundas conexiones con aspectos fundamentales de la física cuántica, como se explica en el prólogo de Klaas Landsman. El libro comienza con una introducción accesible al concepto de estados y continúa con una prueba detallada de la clasificación de las álgebras abelianas máximas de von Neumann, una construcción muy explícita de la compactificación de Stone-Cech y un relato de la reciente prueba del problema de Kadison-Singer. Al final, unos apéndices accesibles proporcionan el material de fondo necesario.

Este relato elemental de la conjetura de Kadison-Singer es muy adecuado para los estudiantes de posgrado interesados en las álgebras de operadores y estados, los investigadores que no son especialistas del campo, y/o los interesados en la física cuántica fundamental.

Teletransportación cuántica.

En los últimos días se ha vivido un importante avance en este campo de investigación al lograr la teletransportación cuántica de qubits.

Durante el último año hemos podido ver cómo se han invertido grandes cantidades de dinero y tiempo en la investigación de entornos y computación cuántica. Las noticias han sido importantes y hemos visto hasta una ‘patada cuántica’ que logró mover un objeto, pero parece que ha llegado un nuevo hito en está área.

Para conseguir este nuevo hito han trabajado de forma conjunta la NASA, Caltech, Fermilab, AT&T, la Universidad de Harvard y la Universidad de Calgary. En cuanto a la distancia, no es poco: 22 kilómetros.

En detalle, los paquetes de qubit viajaron casi instantáneamente y casi sin pérdidas (90%) en una red de fibra óptica de 44 km de distancia. Siendo la red óptica utilizada comparable a nuestras fibras ópticas de muy alta velocidad, los investigadores creen que este experimento es un primer paso hacia la Internet cuántica (¿una película blu-ray descargada en… 0 segundos?). La tecnología de teletransportación cuántica consiste de hecho en realizar una transferencia de estados cuánticos de un lugar a otro de la red de fibra, sabiendo que dos partículas Qubits están unidas entre sí de tal manera que comparten su información de manera simultánea.

Esta fascinante experiencia es un paso más que nos acerca a un mundo bañado por la computación cuántica, un mundo que sin duda revolucionará muchos sectores de alta tecnología (IA, robótica, redes, comunicación, etc.).