Una antorcha cuántica está viajando en tren por Europa, recorriendo doce laboratorios en distintos puntos del continente. El proyecto QuanTour, impulsado por la Sociedad Alemana de Física, promueve el Año Internacional de las Ciencias y las Tecnologías Cuánticas (2025). Y la antorcha cuántica ya se ha encendido.
Pero la antorcha no es solo un icono. Uno de sus objetivos principales es mostrar entre bastidores cómo se consigue un hito (la emisión de fotones individuales con emisores cuánticos) y cuál es el impacto transformador de esta tecnología. Los experimentos que detectan partículas de luz individuales confirman la fascinante naturaleza cuántica de la luz.
Cómo funciona la antorcha cuántica
Tómese un fotón, un único fotón. Necesitamos, para empezar, construir un entorno capaz de emitir esta partícula de luz de una en una. Esto puede conseguirse en un “pozo cuántico” para electrones, a partir del cual emitamos un fotón individual. Y ese pozo es un punto cuántico semiconductor.
El pozo está formado por ~10 000 átomos de materiales tales como indio, galio y arsénico. Los átomos forman una “lenteja” nanométrica. Su diámetro: unos 50 nm y una altura de unos 7 nm.
Dentro del “pozo cuántico” los electrones están obligados a ocupar ciertos niveles de energía, como ocurre con un electrón orbitando en torno a un átomo. Estos estados electrónicos dentro del punto cuántico podemos excitarlos aplicando un haz láser. Aunque lo interesante ocurre cuando un electrón se desexcita entre dos niveles del pozo. Es entonces cuando el electrón emite un solo fotón. ¡Lo tenemos!
QuanTour, CC BY
De este modo hemos creado una antorcha cuántica, una nueva tecnología que nos permite usar fotones individuales para llevar la comunicación y la computación al régimen cuántico, con propiedades y utilidades únicas.
Una antorcha eficiente
Para que la fuente de fotones funcione eficientemente, hemos acoplado al pozo cuántico un resonador fotónico: una trampa para atrapar fotones durante un tiempo ultracorto en un espacio comparable a la longitud de onda del fotón.
Esta trampa fotónica mejora las propiedades de emisión del punto cuántico. Así, la emisión espontánea es más rápida y en una dirección de emisión que podemos controlar.
El resonador tiene forma de rejilla circular, similar a una diana de dardos, donde las distancias entre las rejillas circulares son de unos 100 nm, con espesor y altura en torno a 100-200 nm.
En el laboratorio, la fuente se enfría en un criostato hasta unos escalofriantes 7 grados por encima del cero absoluto (−273.15 °C), lo que equivale a unos -266 °C. Es casi lo más frío que se puede estar.
QuanTour, CC BY
El punto cuántico está localizado en el centro de esta diana, y hace que todos los fotones individuales se emitan mucho más rápidamente, con propiedades óptimas para su posterior uso en posibles aplicaciones cuánticas.
La medición de estos fotones individuales emitidos por la antorcha cuántica es un símbolo en esta actividad de divulgación. No obstante, las fuentes de fotones individuales se adivinan ya como una útil revolución tecnológica.
La nueva encriptación
Mantenernos a salvo en la vida virtual es un desafío cada vez más complejo.
Por ejemplo, actualmente, las comunicaciones encriptadas usan el protocolo RSA aplicando el producto de dos números primos para codificar los datos. Este sistema, enormemente utilizado, se basa en el hecho de que es difícil factorizar el producto de dos grandes números primos, tan difícil que supone un esfuerzo computacional ingente. Los algoritmos cuánticos podrían realizar este proceso a una velocidad muchísimo mayor, de manera eficiente.
Para que esto sea posible, necesitamos usar fotones individuales que servirán para el desarrollo de las comunicaciones cuánticas. De esta manera explotaremos las propiedades cuánticas de un único fotón, en concreto, su polarización.
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Un fotón puede ser representado como una onda electromagnética oscilando perpendicularmente a su dirección de propagación. Cada fotón puede tener direcciones de oscilación determinadas, o sea, polarizaciones específicas. Dicha polarización del fotón puede emplearse para codificar un mensaje con encriptación 100% segura. Además, el teorema de la no-clonación garantiza que es imposible crear una copia independiente e idéntica de un estado cuántico. Un ejemplo de estos algoritmos de encriptación es el protocolo Bennett-Brassard 1984 (BB84) .
Máxima seguridad
La ventaja del uso de estos métodos cuánticos para transmitir un mensaje radica en su seguridad incondicional: el mensaje no puede ser interceptado o manipulado sin que el emisor y receptor no sean conscientes de la presencia de un espía.
Por ejemplo, cuando se realiza una medida sobre un estado cuántico (un fotón), este estado desaparece y se pierde su información. Si un espía tratara de obtener información sin ser descubierto, tras detectar el fotón enviado debería enviar otro con la misma información al receptor.
El problema es que el espía desconocería la base de la polarización en la que el fotón ha sido enviado, cometiendo errores en la codificación del nuevo fotón que enviaría hacia el receptor, por lo que de este modo, finalmente, sería descubierto. Podemos imaginar a un ladrón de un museo de pintura intentando robar un cuadro, y dejando en su lugar un cuadro de imitación que no tiene nada que ver con el original. Sería un desastre seguro.
Y así, el viaje de la antorcha ya ha comenzado y es posible seguirlo de cerca en la cuenta oficial de Instagram del QuanTour.
A lo largo de este camino, la fuente viajará en tren por Europa, quedándose en cada laboratorio durante dos semanas para completar la demostración de la emisión de fotones individuales en cada destino.
Carlos Antón Solanas recibe fondos de la Comunidad de Madrid, la Fundación Ramon Areces, la Fundación BBVA, la AEI.
Alejandro Izquierdo Molina y Raúl Díez Martínez no reciben salarios, ni ejercen labores de consultoría, ni poseen acciones, ni reciben financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y han declarado carecer de vínculos relevantes más allá del puesto académico citado.
