Un salto cuántico hacia el internet del futuro: el cristal que multiplica por 200 el alcance de las redes cuánticas
Un nuevo cristal fabricado átomo a átomo promete extender las conexiones entre computadoras cuánticas de unos pocos kilómetros a miles. El avance acerca el sueño del internet cuántico global, ultrarrápido y seguro.
Por Enrique Coperías
El profesor asistente Tian Zhong, de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago, lidera una investigación que podría permitir conectar computadoras cuánticas a distancias de hasta 2.000 kilómetros, acercando como nunca antes el internet cuántico. Cortesía: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Jason Smith
Desde hace décadas, la promesa del internet cuántico ha flotado en el horizonte tecnológico como una utopía de la física aplicada: una red inviolable, ultrarrápida y global, basada no en bits, sino en cúbits, esas delicadas unidades de información que existen en superposición, capaces de ser cero y uno al mismo tiempo.
Pero llevar esa idea de los laboratorios de informática al mundo real ha chocado con un obstáculo formidable: la fragilidad de los cúbits cuando intentan viajar largas distancias. Ahora, un grupo de investigadores de la Universidad de Chicago, en Estados Unidos, y la Universidad de Basilea, en Suiza, ha logrado un avance que podría multiplicar por doscientos el alcance de las comunicaciones cuánticas, acercando por primera vez la posibilidad de conectar computadoras cuánticas separadas por miles de kilómetros.
El estudio, publicado en la revista Nature Communications, presenta una nueva manera de construir cristales cuánticos capaces de mantener la coherencia cuántica —la memoria del cúbit— durante tiempos sin precedentes y de transmitir información cuántica a través de la misma infraestructura de fibra óptica que hoy sostiene el internet convencional.
La clave del avance está en un material aparentemente sencillo: el óxido de itrio (Y₂O₃), en el que los científicos han insertado átomos de erbio (Er³⁺), un elemento de las tierras raras que emite luz en la banda C de telecomunicaciones, la misma que usan los cables de fibra óptica comerciales.
El reto de mantener el hilo cuántico sin romperlo
Para que un mensaje cuántico viaje entre dos nodos de una red —pongamos, entre dos ciudades—, es necesario que las partículas de luz (fotones) que transportan la información mantengan su entrelazamiento cuántico, una propiedad que las hace comportarse como un solo sistema aunque estén separadas por grandes distancias. Sin embargo, en las redes cuánticas actuales esa conexión solo puede mantenerse unos pocos kilómetros antes de que el ruido y las pérdidas ópticas destruyan la coherencia.
El objetivo de los investigadores era superar ese límite físico. «Hasta ahora, ningún sistema sólido había logrado combinar simultáneamente dos cualidades esenciales: una emisión óptica ultranítida en la banda de telecomunicaciones y una memoria de espín —la versión cuántica de la memoria magnética— que dure lo suficiente para mantener la información viva durante la transmisión», explica Tian Zhong, autor principal del trabajo.
El grupo de ingenieros ha logrado ambas cosas a la vez gracias a una estrategia de abajo hacia arriba: en lugar de tallar o modificar cristales existentes (el enfoque top-down habitual), cultivaron el material átomo a átomo mediante la llamada epitaxia por haces moleculares (MBE), una técnica que permite un control exquisito de la estructura cristalina. El resultado es un film delgado, de una pureza casi perfecta, en el que los átomos de erbio ocupan posiciones bien definidas dentro de la red del óxido de itrio.
🗣️ «Por primera vez, la tecnología para construir un internet cuántico a escala global está al alcance de la mano», afirma Zhong, que recientemente recibió el prestigioso premio Sturge por este trabajo.
Cómo funciona: dos tipos de sitios atómicos
El descubrimiento fundamental es que dentro de esa red cristalina existen dos tipos de entornos atómicos o sitios de simetría:
✅ El sitio C₂, con baja simetría, que permite una fuerte interacción luz-materia, ideal para leer y escribir información cuántica.
✅ El sitio C₃i, con simetría de inversión, que ofrece una protección natural frente al ruido eléctrico y prolonga la coherencia del espín.
En palabras simples, el primer sitio permite una interacción fuerte con la luz —lo que facilita leer y escribir información cuántica—, mientras que el segundo ofrece una estabilidad excepcional, evitando que el cúbit olvide su estado.
En los experimentos, los iones de erbio alojados en el sitio C₃i demostraron tiempos de coherencia del espín superiores a 10 milisegundos, una duración récord para este tipo de sistemas, y una estabilidad óptica con un ancho de línea de apenas unos pocos kilohertzios. Es decir, su emisión de luz es tan pura y estable que apenas se ve afectada por el ruido del entorno.
🗣️ «Estamos observando una coherencia comparable a la de los mejores sistemas cuánticos del mundo, pero en un material compatible con las redes de telecomunicaciones actuales —dice Zhong—. Esto significa que, en principio, podríamos conectar procesadores cuánticos separados por hasta 2.000 kilómetros sin necesidad de estaciones repetidoras intermedias, algo que hasta ahora era impensable».
El equipo de la facultad de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago fabricó cristales dopados con tierras raras mediante epitaxia por haces moleculares (MBE), construyendo los componentes átomo por átomo y logrando una coherencia cuántica excepcionalmente duradera. Cortesía: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Jason Smith
Un chip cuántico listo para conectarse por fibra
El equipo integró estos cúbits en un dispositivo de fibra óptica del tamaño de una moneda, que combina un microresonador óptico y un circuito de microondas superconductores. De este modo, los cúbits pueden ser excitados, controlados y leídos tanto con luz como con campos magnéticos, algo esencial para traducir la información entre el mundo de los fotones y el de los electrones.
Los resultados son impresionantes, puesto que los investigadores lograron leer el estado de un solo ion con una fidelidad del 97 %, controlar su espín con microondas y mantener la coherencia cuántica durante más de 20 milisegundos mediante secuencias de pulsos que reducen el ruido. En comparación, los sistemas anteriores de erbio en cristales de silicio o tungstenato de calcio apenas alcanzaban unas pocas décimas de milisegundo.
Además, la arquitectura es plug and play (conectar y usar), lista para conectarse directamente a las fibras ópticas comerciales. En la práctica, eso significa que estos cristales podrían funcionar como nodos cuánticos, actuando como memorias cuánticas intermedias o repetidores cuánticos que conservan la información mientras un fotón viaja a su destino.
De la física de laboratorio a la red global
La combinación de larga vida cuántica y compatibilidad con telecomunicaciones convierte a este sistema en un candidato ideal para construir el esqueleto del futuro internet cuántico. Si se consigue escalar la tecnología y reducir aún más la concentración de erbio —para minimizar las interacciones entre iones—, sería posible transmitir información cuántica a larga distancia a través de la infraestructura óptica existente, sin necesidad de reinventar los cables ni los protocolos básicos de la red.
Los investigadores confían en que mejoras relativamente simples, como aumentar la calidad del microcavidad óptica o alinear mejor los dipolos atómicos con el campo de la cavidad, podrían llevar el sistema al llamado régimen de cooperatividad unitaria, en el que la interacción entre un solo ion y un solo fotón alcanza su máximo teórico.
En ese punto, cada fotón emitido sería indistinguible de los demás, condición necesaria para generar entrelazamiento cuántico a larga distancia entre qubits remotos.
Opinión de los expertos: una vía escalable hacia las redes cuánticas
El físico Hugues de Riedmatten, profesor del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona (España, y uno de los líderes mundiales en redes cuánticas, celebra el logro desde fuera del equipo:
🗣️ «El enfoque demostrado en este artículo es altamente innovador. Muestra que un método de nanofabricación bien controlado y basado en un enfoque de abajo hacia arriba puede permitir la realización de cúbits individuales de iones de tierras raras con excelentes propiedades de coherencia óptica y de espín, lo que conduce a una interfaz fotón-espín de larga duración con emisión en la longitud de onda de telecomunicaciones, todo ello en una arquitectura de dispositivo compatible con fibra óptica».
En palabras de De Riedmatten, «se trata de un avance significativo que ofrece una vía escalable e interesante para producir muchos qubits interconectables de forma controlada».
El cambio de paradigma: fabricar materia cuántica desde cero
Más allá del resultado práctico, el trabajo introduce un cambio de paradigma en la forma de fabricar materiales cuánticos. Al crecer los cristales desde abajo, los investigadores han evitado los daños que las técnicas tradicionales provocaban en la red cristalina, una de las principales causas de pérdida de coherencia.
Como explica Zhong, la técnica tradicional, conocida como proceso o método de Czochralsk, «es, esencialmente, como una olla de fusión. Se echa la proporción correcta de ingredientes y luego se funde todo. La temperatura supera los 2.000 ºC, y se enfría lentamente hasta formar un cristal sólido»
La nueva técnica, llamada epitaxia por haces moleculares, funciona de manera muy distinta: «comenzamos desde cero y luego ensamblamos este dispositivo átomo por átomo —detalla el investigador—. La calidad o pureza de este material es tan alta que las propiedades de coherencia cuántica de estos átomos se vuelven excepcionales».
El enfoque abre la puerta a toda una familia de materiales híbridos cuánticos capaces de combinar luz, sonido y magnetismo en un mismo chip.
El siguiente paso del equipo de Tian Zhong será comprobar si el aumento del tiempo de coherencia cuántica permite que las computadoras cuánticas se conecten a mayores distancias. Cortesía: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Jason Smith
Próximos pasos: del laboratorio a la red cuántica real
En los próximos meses, el equipo pondrá a prueba su tecnología en un entorno de laboratorio que simule una red cuántica real.
«Antes de desplegar fibra óptica de, digamos, Chicago a Nueva York, vamos a probarlo dentro de mi laboratorio —comenta Zhong. Y añade—: hora estamos construyendo el tercer refrigerador en mi laboratorio. Cuando todo esté listo, formará una red local, y primero realizaremos experimentos en el propio laboratorio para simular cómo sería una futura red cuántica de larga distancia».
Para Zhon, «tTodo esto forma parte del gran objetivo de crear un verdadero internet cuántico, y estamos alcanzando un nuevo hito hacia esa meta».
Impacto global: hacia una infraestructura cuántica segura y escalable
El trabajo de Zhong y sus colegas no es solo un hito técnico; es una demostración de que el camino hacia una red cuántica global puede construirse con materiales conocidos y técnicas de fabricación compatibles con la industria de los semiconductores.
🗣️ «Estamos pasando de la física fundamental a la ingeniería cuántica de sistemas reales», dice el investigador.
Si los próximos pasos confirman sus predicciones, el avance podría permitir redes cuánticas de miles de kilómetros, capaces de conectar centros de cálculo cuántico, bancos, laboratorios o incluso satélites, con un nivel de seguridad cuántica imposible de violar. Sería el nacimiento de una nueva infraestructura mundial, el internet cuántico, donde la información cuántica no solo viaja, sino que se entrelaza.
Y todo, paradójicamente, gracias a una manera distinta de fabricar el mismo cristal.▪️
Información facilitada por la Universidad de Chicago
Fuente: Gupta, S., Huang, Y., Liu, S. et al. Dual epitaxial telecom spin-photon interfaces with long-lived coherence. NatureCommunications (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-64780-6
