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  • 31/10/2018

Computación cuántica

Lo que nos deparará la internet cuántica

Unos físicos dicen que esa red futurista, supersegura, podría resultar útil mucho antes de que alcance su madurez tecnológica.

Science

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Prototipo de un centro de vacantes de nitrógeno, dispositivo que se usa en una red cuántica en el laboratorio holandés QuDelft [Marcel Wogram para Nature].

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Fronteras de la física cuántica Fronteras de la física cuántica Oct/Dic 2016 Nº 86

Panorama contemporáneo de una teoría fundamentalLa mecánica cuántica nació hace 90 años para explicar las propiedades de los átomos y la luz. Hoy, sin embargo, la teoría es vista a menudo como un formalismo estrechamente ligado a un concepto mucho más abstracto y universal: el de información. Desde finales del siglo pasado, ese enfoque ha dado lugar a una avalancha de publicaciones sobre los fundamentos de la teoría, sus posibilidades computacionales, su relación con el mundo macroscópico y su encaje con la gravedad. De la mano de 17 expertos, este monográfico te ofrece una pincelada única del estado actual de estas líneas de investigación y te brinda un prisma moderno para entender una de las teorías físicas más profundas y fascinantes de todos los tiempos.

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Una futura internet cuántica podría tener usos mucho antes de que llegue a su madurez tecnológica, predice un equipo de físicos.

Esa red, que sacaría partido de fenómenos puramente cuánticos, sería fundamentalmente diferente de la internet clásica que utilizamos ahora. Hay grupos de investigadores de todo el mundo que trabajan en las primeras etapas de su desarrollo, etapas que prometen ya una privacidad y una seguridad prácticamente inviolables de las comunicaciones. Una red más madura podría incluir una serie de aplicaciones científicas, y no solo científicas, imposibles con los sistemas clásicos; por ejemplo, unos sensores para la detección de las ondas gravitatorias.

Un equipo de prominentes investigadores de la internet cuántica en la Universidad Tecnológica de Delft, Holanda, acaba de publicar una hoja de ruta que presenta las etapas que recorrería hacia su plenitud y detalla las dificultades técnicas que cada una planteará. Se describen sus predicciones en el número del 18 de octubre de Science.

La diferencia cuántica 

Esos investigadores sostienen que la tecnología, que complementaría pero no sustituiría a la internet actual, podría llegar a difundirse tanto entre los grandes usuarios, los laboratorios universitarios, por ejemplo, como entre los consumidores individuales, pero no predicen un período de tiempo en que ello podría ocurrir.

La diferencia con los ordenadores cuánticos es grande, aseguran, otra tecnología futurista sobre la que los científicos trabajan febrilmente con la intención de construir máquinas más eficientes que las computadoras clásicas. «En el campo de la computación cuántica se trata mucho más de un todo o nada», según la física teórica Stephanie Wehner, coautora del artículo con su compañeros de Delft David Elkouss y Ronald Hanson.

Stephanie Barz, física cuántica de la Universidad de Stuttgart, en Alemania, está de acuerdo. Resulta difícil predecir cuál de las tecnologías llegará antes, sostiene, como también sostienen otros: si una Internet cuántica ampliamente usada o unos ordenadores cuánticos útiles. Pero las redes cuánticas tienen una gran ventaja, dice Barz, en el sentido de que «una red así se puede construir paso a paso, y en cada uno de ellos se puede añadir una funcionalidad diferente».

La hoja de ruta pretende también establecer un lenguaje común para un campo en el que participan investigadores de disciplinas muy diferentes: la tecnología de la información, la ciencia de la computación, la ingeniería, la física. «La gente habla de las redes cuánticas para referirse a cosas de lo más diferentes», dice Hanson, físico experimental que codirige el proyecto del grupo de Delft de llevar a cabo una exhibición de la internet cuántica que conecte cuatro ciudades holandesas.

Rodney Van Meter, ingeniero de redes cuánticas de la Universidad Keio de Tokio, dice que el artículo sirve para aclarar los objetivos de esa disciplina. «Nos da un vocabulario nuevo para entender lo que estamos persiguiendo». Y la exposición que hace el documento de las aplicaciones que tendría puede valerles además a los investigadores para explicar sus propuestas a los posibles inversores, explica. «Con esta hoja de ruta, podremos mantener la conversación».

Seis etapas

Las redes cuánticas y la computación cuántica comparten muchos conceptos y técnicas. Ambas aprovechan fenómenos que carecen de análogos en la física clásica; por ejemplo, una partícula cuántica (un electrón, un fotón) puede estar en uno de dos estados bien definidos de espín (una propiedad formalmente similar a un giro sobre el propio eje pero sin equivalente clásico), en el sentido de las agujas del reloj o en el contrario con respecto a un dirección espacial cualquiera, pero también en una combinación simultánea de ambos sentidos de giro, llamada superposición. Y dos partículas pueden estar «entrelazadas»; comparten entonces un mismo estado cuántico, por lo cual actúan de modo simultáneo de manera aparentemente coordinada (así, por ejemplo, cuando una presenta aleatoriamente un sentido de espín para una determinada dirección la otra presentará el sentido contrario) incluso cuando están separadas por distancias demasiado grandes para que haya alguna intercomunicación.

 

SEIS PASOS HACIA UNA INTERNET CUÁNTICA
Los investigadores han expuesto seis etapas de sofisticación que una internet cuántica futura podría alcanzar y lo que los usuarios podrían hacer en cada una de ellas.
0 Una red de nodos de confianza: los usuarios pueden recibir códigos generados cuánticamente pero no enviar o recibir estados cuánticos. Dos usuarios finales pueden compartir una clave de encriptación (pero el proveedor del servicio también la conocerá).
1 Preparar y medir: los usuarios finales reciben y miden estados cuánticos (pero no tiene por qué intervenir el fenómeno cuántico del entrelazamiento). Dos usuarios finales pueden compartir una clave privada que solo conozcan ellos. Además, los usuarios pueden tener su contraseña verificada sin revelarla.
2 Redes de distribución de entrelamientodos usuarios finales cualesquiera pueden obtener estados entrelazados (pero no podrán guardarlos). Estos proporcionan la encriptación cuántica más fuerte posible.
3 Redes de memoria cuánticados usuarios finales cualesquiera obtienen y guardan qubits (la unidad cuántica de información) entrelazados y pueden teletransportar la información cuántica entre ellos. Las redes permiten la computación cuántica en la nube. 
4 & 5 Redes de computación cuántica: los dispositivos de la red son ordenadores cuánticos plenamente desarrollados (capaces de efectuar la corrección de errores en las transferencias de datos). Estas etapas permitirían diversos grados de computación cuántica distribuida y del uso de sensores cuánticos, con aplicaciones en experimentos científicos.
 
 

El equipo de Delft ha expuesto seis etapas para la evolución de la internet cuántica (véase el recuadro anterior).

El primero, del que dicen que es una especie de etapa cero porque no describe una internet verdaderamente cuántica, es una red que permite a los usuarios establecer una clave de encriptación común, de forma que puedan compartir sus datos (clásicos) con seguridad. La física cuántica solo interviene entre bastidores: el proveedor del servicio se vale de ella para crear la clave. Pero el proveedor conocerá también la clave, así que los usuarios tendrían que fiarse de él. Este tipo de red ya existe, sobre todo en China, donde se extiende a lo largo de más de 2000 kilómetros y conecta grandes ciudades, Pekín y Shanghái entre ellas.

En la etapa 1 los usuarios empezarán a entrar en el juego cuántico, en el que un emisor crear estados cuánticos, por lo común de fotones, que se envíarán a un receptor, bien con fibra óptica, bien con un pulso de láser que se mueva por el espacio abierto. En esta etapa, dos usuarios cualesquiera podrán crear una clave de encriptación privada que solo conocerán ellos.

Gracias a esta técnica, los usuarios podrán remitir una contraseña cuántica, por ejemplo, a una máquina, a un cajero automático, digamos. La máquina podrá verificar la contraseña sin saber cuál es y sin poder robarla.

No ha habido ensayos a gran escala de la etapa 1, pero ya es tecnológicamente factible en ciudades pequeñas, dice Wehner, aunque sería muy lenta. Un grupo, dirigido por Pan Jian-Wei, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei, consiguió el récord mundial de este tipo de transmisiones en 2017 al conectar por medio de un satélite dos laboratorios distantes entre sí más de 1200 kilómetros.

En la etapa 2, la internet cuántica domeñará el poderoso fenómeno del entrelazamiento. Su primer objetivo será lograr que la encriptación cuántica sea en esencia inviolable. La mayor parte de las tecnologías que requiere esta etapa ya existen, al menos en demostraciones de laboratorio rudimentarias.

Las etapas 3, 4 y 5 permitirán, por primera vez, que dos usuarios guarden e intercambien bits cuánticos, o qubits, unidades de información cuántica parecidas a los clásicos unos y ceros pero que pueden estar en una superposición simultánea del uno y del cero. Los qubits son además la base de la computación cuántica. (Diversos laboratorios, tanto académicos como de grandes empresas, de IBM, de Google, han estado construyendo ordenadores cuánticos cada vez más complejos; los más avanzados tienen memorias que pueden guardar unas docenas de qubits).

Llegar a la etapa final requerirá varios avances. El equipo de Hanson ha estado en el primer plano de estos esfuerzos y es uno de los que trabajan en construir el primer «repetidor cuántico», un dispositivo que regenera los qubits entrelazados a lo largo de distancias cada vez mayores.

Relojes y votaciones

Los primeros en adoptar las redes de las etapas más altas serán seguramente los científicos mismos. Los laboratorios se conectarán remotamente a los primeros ordenadores cuánticos avanzados o vincularán entre sí esas máquinas para que actúen como una sola computadora.

Utilizarían esos sistemas para realizar tareas que no son posibles con los ordenadores clásicos, como simular la física cuántica de moléculas o de materiales. Las redes de relojes cuánticos podrían incrementar extraordinariamente la precisión de las mediciones de fenómenos como las ondas gravitatorias. Y con esas redes los telescopios ópticos distantes entre sí podrían ligar sus qubits para que las imágenes fuesen más nítidas.

Pero también podría haber aplicaciones ajenas a la ciencia. En una elección, gracias a una internet de la quinta etapa los votantes no podrían elegir solo a un candidato, sino a una «superposición» de candidatos, incluyendo, digamos, a su segunda opción favorita. «Los votantes cuánticos», dice la física Nicole Yunger Halpern, del Centro Smithsoniano de Harvard de Astrofísica, podrían valerse de «formas de votación estratégica que los votantes clásicos no pueden poner en práctica». Y las técnicas cuánticas podrían servirles a grandes grupos para coordinarse y alcanzar consensos; por ejemplo, para validar monedas electrónicas como el bitcoin.

Según Liang Jiang, físico teórico de la Universidad de Yale, el mapa de ruta, aunque será útil para los investigadores cuánticos en general, se centra sobre todo en los tipos de tecnologías que el grupo de Delft ha adoptado. Por ejemplo, un trabajo teórico publicado por Jiang y sus colaboradores el año pasado indica que las redes de escala pequeña o mediana podrían basarse en las microondas en vez de en los pulsos de láser.

Las opiniones de los investigadores no son unánimes acerca de si estas aplicaciones serán verdaderamente útiles o de si una internet cuántica podrá alguna vez ser tan sofisticada que pueda disponerse de ella ampliamente. Pero algunos son optimistas. «No tengo duda alguna de que llegará a existir en algún momento», dice Wehner. Pero, añade, «pasará antes mucho tiempo».

Davide Castelvecchi / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «Quantum internet: A vision or the road ahead», de S. Wehner et al. en Science 362, eaam9288 (2018).

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