Almacenamiento y transporte de un fotón

En el marco de la óptica cuántica, un fotón es un portador de enería cuantizada y de información extremadamente frágil. Su naturaleza efímera y su tendencia a interactuar con el entorno hacen que almacenarlo sea uno de los grandes retos actuales. A diferencia de la información clásica, que puede guardarse en una memoria, la información cuántica asociada a un fotón no puede copiarse sin destruir su estado (principio de no-clonación). Por ello, el “almacenamiento” debe lograrse mediante dispositivos capaces de transferir temporalmente su estado cuántico a otro sistema físico más estable, estos sistemas se conocen como memorias cuánticas:

Ejemplos de memorias cuánticas:

• Átomos fríos en trampas ópticas o condensados de Bose-Einstein: el fotón excita un estado colectivo y ese estado guarda la información cuántica.

• Cristales dopados con tierras raras (como praseodimio o erbio): la red cristalina absorbe el fotón y mantiene coherente la excitación por microsegundos o incluso milisegundos.

• Iones atrapados o circuitos superconductores: en laboratorios, ya se han usado como “bancos temporales” para estados de luz.

El transporte de un fotón, por otra parte, es más directo: se logra enviándolo a través de fibra óptica o en espacio libre, como lo demuestran los experimentos de comunicación cuántica entre satélites y estaciones terrestres. Sin embargo, la distancia máxima está limitada por la atenuación de la señal y la decoherencia: en fibras ópticas comerciales, los fotones suelen perderse después de unos cientos de kilómetros sin repetidores cuánticos. En espacio libre, la turbulencia atmosférica y la alineación precisa del haz son los principales desafíos.

El satélite chino Micius (Mozi), lanzado en agosto de 2016 como parte del proyecto QUESS (Quantum Experiments at Space Scale), fue el primero en generar y enviar fotones entrelazados desde el espacio hacia múltiples estaciones terrestres, explorando la física cuántica a gran escala 

📡 Óptica precisa desde el satélite

• Micius lleva a bordo un sistema de telescopios y espejos direccionales con control de apuntamiento muy fino (del orden de micro-radianes).

• Cuando el satélite pasa por la vertical de las estaciones, calcula en tiempo real su posición y la de las estaciones terrestres (usando GPS y sistemas de guiado).

• Con esa información, ajusta sus telescopios para enviar un fotón de cada par entrelazado en direcciones opuestas, de forma que uno llega a la estación de Delingha y el otro a Lijiang.

• Las estaciones terrestres también usan telescopios receptores de gran apertura para “cazar” los fotones que vienen del espacio.

Experimento entre el satélite cuántico Micius y estaciones terrestres,

entrelazados fotones desde el espacio hasta observatorios separados por más de 1 200 km.

Nota:➡️ La operación tecnológica, es como alinear dos punteros láser desde un avión hacia dos ciudades lejanas: muy difícil, pero con sistemas de apuntamiento activo (correcciones constantes), se puede mantener estable el haz lo suficiente para registrar los eventos.

El desarrollo de técnicas híbridas que combinen almacenamiento y transporte es fundamental. Por ejemplo, un fotón entrelazado puede viajar cientos de kilómetros y, al llegar, su estado cuántico se transfiere a una memoria atómica. De esta manera, se abre la posibilidad de crear redes cuánticas donde la información no solo viaja, sino que también se guarda y sincroniza entre nodos distantes.

En síntesis, mientras que transportar un fotón ya es una realidad experimental en escalas continentales y espaciales, almacenarlo de forma práctica y confiable aún es un área de intensa investigación. Resolver este desafío será clave para el desarrollo de internet cuántica, repetidores de largo alcance y protocolos de comunicación absolutamente seguros