La nueva Internet tejida a partir de enlaces cuánticos "espeluznantes" podría impulsar la ciencia y el comercio

Eden Figueroa está tratando de sacar delicada información cuántica del laboratorio al mundo conectado. JOHN PARASKEVAS / NEWSDAY / PARS INTERNATIONAL

Por Gabriel Popkin / 3 de Junio de 2021 

Traducido por L. Domenech

Un rayo de luz láser azul etérea entra en un cristal especializado. Allí se vuelve rojo, una señal de que cada fotón se ha dividido en un par con energías más bajas y una conexión misteriosa. Las partículas ahora están "entrelazadas" mecánicamente cuánticamente, unidas como gemelos idénticos que conocen los pensamientos del otro a pesar de vivir en ciudades distantes. Los fotones atraviesan una maraña de fibras y luego depositan con mucha suavidad la información que codifican en nubes de átomos en espera.

Las transfiguraciones son "un poco mágicas", se regocija Eden Figueroa, físico de la Universidad de Stony Brook. Él y sus colegas han inventado la configuración en unos pocos bancos de laboratorio llenos de lentes y espejos. Pero tienen un lienzo mucho más grande en mente.

Para fin de año, los conductores en las áreas metropolitanas más grandes de EE. UU., Incluidos, en gran parte gracias a Figueroa, los suburbios de la ciudad de Nueva York, pueden, sin saberlo, retumbar sobre los tenues hilos de una red nueva y potencialmente revolucionaria: una "Internet cuántica" unida por entrelazados. fotones como los del laboratorio de Figueroa.

Se han invertido miles de millones de dólares en la investigación de computadoras y sensores cuánticos, pero muchos expertos dicen que los dispositivos florecerán solo cuando estén unidos entre sí a largas distancias. La visión es paralela a la forma en que la web transformó la computadora personal de una máquina de escribir glorificada y una consola de juegos a un portal de telecomunicaciones indispensable. A través del entrelazamiento, una extraña propiedad de la mecánica cuántica que una vez fue ridiculizada por Albert Einstein como un "efecto distante espeluznante", los investigadores tienen como objetivo crear vínculos íntimos e instantáneos a través de largas distancias. Una Internet cuántica podría soldar telescopios en matrices con resolución ultra alta, sincronizar relojes con precisión, generar redes de comunicación hiperseguras para finanzas y elecciones, y hacer posible la computación cuántica desde cualquier lugar. También podría conducir a aplicaciones con las que nadie ha soñado todavía.

Sin embargo, colocar estos frágiles vínculos en el mundo cálido y vibrante no será fácil. La mayoría de las hebras que existen hoy en día pueden enviar fotones entrelazados a receptores a solo decenas de kilómetros de distancia. Y los enlaces cuánticos son fugaces, se destruyen a medida que se reciben y miden los fotones. Los investigadores sueñan con mantener el entrelazamiento indefinidamente, utilizando corrientes de fotones para tejer conexiones cuánticas duraderas en todo el mundo.

Para eso, necesitarán el equivalente cuántico de los repetidores ópticos, los componentes de las redes de telecomunicaciones actuales que mantienen fuertes las señales de luz a través de miles de kilómetros de fibra óptica. Varios equipos ya han demostrado elementos clave de repetidores cuánticos y dicen que están en camino de construir redes extendidas. "Hemos resuelto todos los problemas científicos", dice Mikhail Lukin, físico de la Universidad de Harvard. "Soy extremadamente optimista de que en la escala de 5 a 10 años ... tendremos prototipos de red a escala continental".

EN LA NOCHE del 29 de octubre de 1969, dos meses después de Woodstock y mientras la guerra de Vietnam estallaba, Charley Kline, un estudiante de la Universidad de California en Los Ángeles, envió un mensaje a una computadora a poco más de 500 kilómetros de distancia en el Instituto de Investigación de Stanford. en Menlo Park, California. Fue el lanzamiento de la Red de Agencias de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPANET). Desde ese comienzo precario de dos nodos, el mensaje previsto de Kline era "iniciar sesión", pero solo "lo" lo logró antes de que el sistema fallara, Internet se ha expandido hasta convertirse en la red mundial actual. Hace aproximadamente 2 décadas, los físicos comenzaron a preguntarse si la misma infraestructura podría moverse alrededor de algo más exótico: la información cuántica

Fue una época embriagadora: un matemático llamado Peter Shor había ideado, en 1994, un código cuántico que podía romper un algoritmo de cifrado líder, algo que las computadoras clásicas no podían hacer. El algoritmo de Shor sugirió que las computadoras cuánticas, que explotan la capacidad de objetos muy pequeños o fríos para existir simultáneamente en múltiples estados "superpuestos", podrían tener una aplicación asesina (descifrar códigos) y provocaron un esfuerzo de décadas para construirlos. Algunos investigadores se preguntaron si una Internet cuántica podría mejorar enormemente la potencia de esas máquinas.

"En una escala de 5 a 10 años ... tendremos prototipos de redes a escala continental".

Mikhail Lukin, Universidad de Harvard

Pero construir una computadora cuántica fue lo suficientemente abrumador. Al igual que el enredo, los estados superpuestos esenciales para su poder son frágiles, colapsando cuando son medidos o perturbados por el mundo exterior. A medida que el campo se centró en las computadoras cuánticas de uso general, los pensamientos sobre la conexión de esas computadoras se desterraron en su mayoría a un futuro lejano. La Internet cuántica, bromea Figueroa, se convirtió en "como la versión hipster" de las computadoras cuánticas.

Más recientemente, con la computación cuántica comenzando a convertirse en una realidad, las redes cuánticas han comenzado a abrirse camino de regreso al centro de atención. Para hacer algo útil, una computadora cuántica requerirá cientos de bits cuánticos, o qubits, aún mucho más allá de los números actuales. Pero las redes cuánticas pueden comenzar a demostrar su valor tan pronto como algunos nodos distantes se entrelacen de manera confiable. "No necesitamos muchos qubits para hacer algo interesante", dice Stephanie Wehner, líder de investigación de la división de Internet cuántica en la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft).

Las primeras redes capaces de transmitir fotones entrelazados individuales han comenzado a tomar forma. Un informe de 2017 de China fue uno de los más espectaculares: un satélite cuántico llamado Micius envió pares de partículas entrelazadas a estaciones terrestres a 1200 kilómetros de distancia. El logro desató las alarmas en Washington, D.C., que finalmente llevó a la aprobación de la Ley de Iniciativa Cuántica Nacional de 2018, promulgada por el entonces presidente Donald Trump y destinada a impulsar la tecnología cuántica de EE. UU. El Departamento de Energía (DOE), que ha liderado los esfuerzos para imaginar una Internet cuántica de EE. UU., Se sumó al impulso en abril, anunciando $ 25 millones para I + D en una Internet cuántica para conectar laboratorios y universidades nacionales. "Conectemos nuestras instalaciones científicas, demostremos que esto funciona y proporcionemos un marco para que el resto del país se suba y amplíe", dice Chris Fall, quien hasta hace poco dirigía la Oficina de Ciencias del DOE.

El grupo chino, dirigido por Jian-Wei Pan, físico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, ha seguido desarrollando su red. Según un artículo de Nature de enero, ahora se extiende por más de 4600 kilómetros, utilizando fibras y relés no cuánticos. En otros países se han demostrado enlaces cuánticos más cortos.

La industria y el gobierno están comenzando a utilizar esos primeros enlaces para una comunicación segura a través de un método llamado distribución de clave cuántica, a menudo abreviado QKD. QKD permite que dos partes compartan una clave secreta al realizar mediciones simultáneas en pares de fotones entrelazados. La conexión cuántica mantiene la clave a salvo de manipulaciones o escuchas, porque cualquier medida intermedia destruiría el entrelazamiento; la información cifrada con la clave viaja a través de los canales ordinarios. QKD se utiliza para asegurar algunas elecciones suizas y los bancos lo han probado. Pero muchos expertos cuestionan su importancia, porque las técnicas de cifrado más simples también son inmunes a los ataques conocidos, incluido el algoritmo de Shor. Además, QKD no garantiza la seguridad en los nodos de envío y recepción, que siguen siendo vulnerables.

Una red cuántica en toda regla apunta más alto. No solo transmitiría partículas entrelazadas; “distribuye el entrelazamiento como un recurso”, dice Neil Zimmerman, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, lo que permite que los dispositivos se entrelacen durante largos períodos, compartiendo y explotando información cuántica.

La ciencia podría ser la primera en beneficiarse. Un posible uso es la interferometría basal muy larga. El método ya ha vinculado radiotelescopios de todo el mundo, creando efectivamente un solo plato gigante lo suficientemente potente como para obtener imágenes de un agujero negro en el centro de una galaxia distante. Combinar la luz de telescopios ópticos lejanos es mucho más desafiante. Pero los físicos han propuesto esquemas para capturar la luz recolectada por los telescopios en memorias cuánticas y usar fotones entrelazados para extraer y fusionar su información de fase, la clave para una resolución ultra alta. Enredar los sensores cuánticos distribuidos también podría conducir a redes de detectores más sensibles para la materia oscura y las ondas gravitacionales.

Las aplicaciones más prácticas incluyen elecciones ultraseguras y comunicaciones a prueba de piratería en las que la información en sí, y no solo una clave secreta para decodificarla, como en QKD, se comparte entre nodos entrelazados. El entrelazamiento podría sincronizar los relojes atómicos y evitar los retrasos y errores que se acumulan a medida que se envía información entre ellos. Y podría ofrecer una forma de conectar computadoras cuánticas, aumentando su poder. Las computadoras cuánticas del futuro cercano probablemente estarán limitadas a unos pocos cientos de qubits cada una, pero si se entrelazan, pueden abordar cálculos más sofisticados.

Hacer conexiones

Una Internet cuántica estaría entretejida por fotones que están entrelazados, lo que significa que comparten un estado cuántico. Pero se necesitarían repetidores cuánticos para transmitir los frágiles fotones entre usuarios remotos.

Un repetidor cuántico

1. Generación de pares de fotones 

Un protocolo popular comienza creando pares de fotones entrelazados y enviando un miembro de cada par hacia dispositivos de medición mientras los otros vuelan hacia los usuarios finales, llamados convencionalmente Alice y Bob.

2. Enlace de largo alcance 

Los fotones se capturan en memorias cuánticas que almacenan sus estados cuánticos. Los procesadores corrigen y preparan los estados conservando los enredos. Luego, una medición especializada en las dos memorias cuánticas intermedias "intercambia" el entrelazamiento para vincular a Alice y Bob.

Red versátil 

Una Internet cuántica podría establecer conexiones íntimas y seguras entre usuarios e instalaciones muy separados. Podría permitir que las poderosas computadoras cuánticas ejecuten algoritmos complicados para usuarios remotos mientras protegen información sensible, o fusionar telescopios y otros instrumentos en redes de ultra alta resolución.

Llevando esta idea más allá, algunos también imaginan un análogo de la computación en la nube: la llamada computación cuántica ciega. La idea es que las computadoras cuánticas más poderosas algún día estarán ubicadas en laboratorios, universidades y empresas nacionales, al igual que las supercomputadoras en la actualidad. Los diseñadores de medicamentos y materiales o los comerciantes de acciones pueden querer ejecutar algoritmos cuánticos desde ubicaciones distantes sin divulgar el contenido de sus programas. En teoría, los usuarios podrían codificar el problema en un dispositivo local que está enredado con una computadora cuántica remota, explotando el poder de la computadora distante mientras la deja ciega al problema que se está resolviendo.

“Como físico, creo que [la computación cuántica ciega] es muy hermosa”, dice Tracy Northup de la Universidad de Innsbruck.

LOS INVESTIGADORES HAN DADO LOS PRIMEROS PASOS HACIA REDES COMPLETAMENTE ENTRELAZADAS

En 2015, Wehner y sus colegas entrelazaron fotones con espines de electrones en átomos de nitrógeno, encerrados dentro de dos pequeños diamantes a 1,3 kilómetros de distancia en el campus de TU Delft. Luego, los fotones se enviaron a una estación intermedia, donde interactuaron entre sí para enredar los nodos de diamante. El experimento estableció un récord para la distancia del entrelazamiento "anunciado", lo que significa que los investigadores pudieron confirmarlo y usarlo, y el vínculo duró hasta varios microsegundos.

Los átomos de impureza en diamantes minúsculos como el que está en el corazón de este chip pueden almacenar y transmitir información cuántica. QUTECH

Sin embargo, las redes más expansivas probablemente requerirán repetidores cuánticos para copiar, corregir, amplificar y retransmitir prácticamente todas las señales. Y aunque los repetidores son una tecnología relativamente sencilla para la Internet clásica, un repetidor cuántico tiene que eludir el teorema de "no clonación", que sostiene, esencialmente, que un estado cuántico no se puede copiar.

Un diseño de repetidor popular comienza con dos pares de fotones entrelazados idénticos en fuentes separadas. Un fotón de cada par vuela hacia puntos finales distantes, que podrían ser computadoras cuánticas, sensores u otros repetidores. Llamémoslos Alice y Bob, como suelen hacer los físicos cuánticos.

Las otras mitades de cada par se cierran hacia adentro, hacia el corazón del repetidor. Ese dispositivo debe atrapar el fotón que llega primero, introducir su información en una memoria cuántica, tal vez un diamante o una nube de átomo, corregir cualquier error que se haya acumulado en el tránsito y mimarlo hasta que llegue el otro fotón. Luego, el repetidor necesita aparear a los dos de una manera que enrede a sus gemelos lejanos. Este proceso, conocido como intercambio de entrelazamientos, crea un vínculo entre los puntos finales distantes, Alice y Bob. Los repetidores adicionales podrían conectar en cadena a Alice con Carol y Bob con Dave, en última instancia, abarcando grandes distancias.

Figueroa remonta su impulso para construir un dispositivo de este tipo a su Ph.D. de 2008. defensa de tesis en la Universidad de Calgary. Después de que el joven físico nacido en México describiera cómo entrelazaba los átomos con la luz, un teórico le preguntó qué iba a hacer con la configuración. “En ese momento, la culpa es mía, no tenía una respuesta. Para mí, era un juguete con el que podía jugar ”, recuerda Figueroa. "Me dijo: 'Un repetidor cuántico es lo que vas a hacer con él'".

Inspirado, Figueroa buscó el sistema en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica antes de aterrizar en Stony Brook. Desde el principio, decidió que los repetidores cuánticos comerciales deberían funcionar a temperatura ambiente, un descanso de la mayoría de los experimentos de laboratorio cuántico, que se realizan a temperaturas muy frías para minimizar las vibraciones térmicas que podrían alterar los frágiles estados cuánticos.

El artículo original se puede leer en inglés en Science