Dentro de la búsqueda de Europa para construir una Internet cuántica inhackeable

Ilustración conceptual de una cerradura con fotones enredados en su interior, sobre un fondo de red ilustrado Mengxin Li

El tren rápido de París a Rotterdam salió con una hora de retraso de la Gare du Nord. Cuando finalmente me depositó en la ciudad holandesa, descubrí que el tren hacia Delft había sido suspendido debido a trabajos de mantenimiento en las vías. Me tomó dos viajes tortuosos en autobús y un viaje en taxi antes de que finalmente llegara a mi destino.

Dado que estaba allí para aprender sobre el futuro de las comunicaciones, esto me pareció apropiado. Mi viaje fue un recordatorio de que, si bien el envío de personas de un lugar a otro aún está plagado de fallas imprevistas, enormes cantidades de datos fluyen sin problemas y con rapidez durante todo el día, todos los días, a través de los cables de fibra óptica que conectan ciudades, países y continentes enteros.

Y, sin embargo, estas redes de datos tienen una debilidad: pueden ser pirateadas. Entre los documentos secretos filtrados hace unos años por el contratista de la Agencia de Seguridad Nacional de EE. UU., Edward Snowden, se encontraban algunos que mostraban que las agencias de inteligencia occidentales habían logrado acceder a los cables de comunicación y espiar la gran cantidad de tráfico que fluía a través de ellos.

El instituto de investigación que estaba visitando en Delft, QuTech , está trabajando en un sistema que podría hacer imposible este tipo de vigilancia. La idea es aprovechar la mecánica cuántica para crear una red de comunicaciones perfectamente segura entre Delft y otras tres ciudades de los Países Bajos para fines de 2020 (consulte el mapa a continuación para ver los enlaces planificados).

Los investigadores de QuTech, dirigidos por Stephanie Wehner y Ronald Hanson, aún enfrentan una serie de desafíos técnicos abrumadores. Pero si tienen éxito, su proyecto podría catalizar una futura Internet cuántica, de la misma manera que Arpanet, que el Departamento de Defensa de los EE. UU. creó a fines de la década de 1960, inspiró la creación de la Internet tal como la conocemos hoy.

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qubits inimitables

Internet es vulnerable al tipo de piratería informática revelada por Snowden porque los datos siguen viajando por cables en forma de bits clásicos, una corriente de pulsos eléctricos u ópticos que representan 1 arena 0 s. Un pirata informático que logra acceder a los cables puede leer y copiar esos bits en tránsito.

Las leyes de la física cuántica, por otro lado, permiten que una partícula, por ejemplo, un átomo, un electrón o (para transmitir a través de cables ópticos) un fotón de luz, ocupe un estado cuántico que representa una combinación de 1 y 0 simultaneamente. Tal partícula se llama bit cuántico o qubit. Cuando intenta observar un qubit, su estado colapsa a 1 o 0 . Esto, explica Wehner, significa que si un pirata informático accede a un flujo de qubits, el intruso destruye la información cuántica en ese flujo y deja una señal clara de que ha sido manipulado.

Debido a esta propiedad, los qubits se han utilizado durante bastante tiempo para generar claves de cifrado en un proceso conocido como distribución de claves cuánticas (QKD). Esto implica enviar datos en forma clásica a través de una red, mientras que las claves necesarias para descifrar los datos se transmiten por separado en un estado cuántico.

China ha demostrado algunas aplicaciones impresionantes de QKD. El año pasado, utilizó un satélite llamado Micius para transmitir claves cuánticas a dos estaciones terrestres, una en Beijing y la otra en Viena. Luego, las claves se usaron para descifrar datos clásicos para una videollamada segura entre las dos ciudades. Cualquier intento de interceptar la comunicación que contenía las claves las habría destruido, haciendo imposible que los espías (o cualquier otra persona) descifraran la videollamada. China también ha construido una red de comunicaciones QKD terrestre desde Beijing a Shanghái que los bancos y otras empresas están utilizando para transmitir datos comerciales confidenciales.

Sin embargo, el enfoque tiene limitaciones. Los fotones pueden ser absorbidos por la atmósfera o por los materiales de los cables, lo que significa que normalmente no pueden viajar más de unas pocas decenas de kilómetros. La red Beijing-Shanghai soluciona esto al tener 32 nodos de confianza en varios puntos, similares a los repetidores que amplifican la señal en un cable de datos ordinario. En estos nodos, las claves se descifran en forma clásica y luego se vuelven a cifrar en un nuevo estado cuántico para su viaje al siguiente punto de ruta. Pero esto significa que no se debe confiar en los nodos confiables. Un pirata informático que viole su seguridad podría copiar las claves clásicas sin ser detectado, al igual que una empresa o el gobierno que ejecuta los nodos.

Teletransportación cuántica

Wehner, Hanson y sus colegas de QuTech tienen como objetivo superar estas limitaciones para construir una Internet cuántica completamente segura.

El enfoque que están utilizando se llama teletransportación cuántica. Esto puede parecer ciencia ficción, pero es un método real de transmisión de datos. Se basa en un fenómeno conocido como entrelazamiento cuántico.

El entrelazamiento significa crear un par de qubits (fotones de luz, para este propósito) en un solo estado cuántico, de modo que incluso si viajan en direcciones opuestas, retienen una conexión cuántica. Cambiar el estado de un fotón cambiará instantáneamente el estado del otro de una manera predecible, sin importar cuán separados estén. Albert Einstein llamó a esta espeluznante acción a distancia.

Entonces, la teletransportación cuántica requiere primero enviar un par de fotones entrelazados a dos personas, llámelas Alice y Bob. Alice recibe su fotón entrelazado y lo deja interactuar con un qubit de memoria que contiene los datos que quiere transmitir a Bob. Esta interacción cambia el estado de su fotón y, por lo tanto, también cambia el estado del fotón de Bob. En efecto, esto teletransporta los datos en el qubit de memoria de Alice del fotón de Alice al de Bob. La siguiente ilustración presenta el proceso con un poco más de detalle.

Otra forma de verlo: el par de fotones entrelazados son como los dos extremos de un cable de datos virtual de una sola vez. Cada vez que Alice y Bob quieren enviar datos, primero reciben un cable nuevo y, como cada uno de ellos tiene un extremo, solo ellos pueden usarlo. Eso es lo que lo hace seguro contra las escuchas.

ms tecnología

En la práctica, existen varias formas de crear qubits entrelazados. Hanson, que encabeza el lado del hardware de la iniciativa de QuTech, utiliza diamantes sintéticos microscópicos con un defecto deliberado conocido como defecto de vacante de nitrógeno. Este defecto se puede manipular usando luz y microondas para emitir fotones que se pueden enviar a lugares distantes.

Sin embargo, llevar esto a escala es un gran desafío científico y de ingeniería, como reconoce Hanson. Podemos intentar hacer un enredo de larga distancia, pero falla la mayor parte del tiempo, dice. Dado que los cables de fibra óptica a veces toman rutas indirectas, las distancias que tendrán que viajar los fotones en el proyecto QuTech probablemente serán más largas que las directas que se muestran en nuestro mapa.

Aún así, ha habido un progreso alentador. En 2015, Hanson y un grupo de otros investigadores lograron enredar qubits a 1,3 kilómetros (0,8 millas) de distancia, pero la conexión solo se pudo establecer una vez por hora y duró una fracción de segundo. En junio de este año, los investigadores anunciaron que habían entrelazado dos electrones a un par de metros de distancia 40 veces por segundo. Esto los convirtió en los primeros en el mundo en demostrar que enredo bajo demanda es posible.

Fabricante de ondas láser

Ese experimento tuvo lugar en un laboratorio. Replicarlo en el mundo real es otro asunto. Los obstáculos técnicos incluyen no solo acelerar el entrelazamiento y mantenerlo en distancias mucho más largas, sino también realizar un delicado truco de física que utiliza pulsos de láser para aumentar las longitudes de onda de los fotones para que puedan viajar más lejos a través de cables de fibra óptica.

Mientras que Hanson se enfoca en estos desafíos, Wehner ha liderado el diseño de redes y la innovación de software necesarios para hacer realidad la conexión de cuatro ciudades. El software utilizado para controlar las redes de comunicación clásicas no puede hacer frente a cosas como el enredo, por lo que Wehner ha estado trabajando en una arquitectura novedosa que permitirá controlar la nueva red cuántica de manera eficiente y crear aplicaciones para ella.

En un hackathon reciente que QuTech organizó junto con el registro regional de Internet de Europa, las aplicaciones sugeridas incluían votación segura, firmas digitales e incluso un servicio de chat cuántico.

El equipo de QuTech parece decidido a cumplir su objetivo de completar la red de cuatro ciudades para fines de 2020, aunque Wehner admite que el plazo es muy ajustado. Lo que aprendan informará un proyecto europeo lanzado recientemente, Quantum Internet Alliance (QIA). Wehner está coordinando La alianza , cuyo objetivo es construir una Internet cuántica que permita aplicaciones de comunicación cuántica entre dos puntos cualesquiera de la Tierra.

Eso es ambicioso, por decir lo menos. Si bien los Países Bajos son un banco de pruebas útil, las distancias entre ciudades son bastante pequeñas. Es probable que las redes más grandes requieran repetidores cuánticos. A diferencia de los nodos confiables en la red de China, que convierten la información cuántica en una forma clásica y luego de regreso, estos repetidores, o estaciones de paso con procesadores cuánticos, serán necesarios para extender el entrelazamiento a lo largo de miles de millas para que las redes permanezcan impermeables a los piratas informáticos.

Stephanie Wehner y Ronald Hanson Marieke de Lorjin | QuTech

Varios investigadores, incluido un equipo de QuTech, están trabajando en esta idea, pero aún está en pañales. Hay mucha teoría hermosa por ahí, dice Tracy Northup, profesora de la Universidad de Innsbruck que también está involucrada con el QIA, pero aún no hay ni siquiera una prueba de principio en el laboratorio.

Suponiendo que una Internet cuántica se haga realidad, surgirán preguntas importantes. ¿Estará disponible para todos, o las empresas y los gobiernos adinerados utilizarán carriles cuánticos mientras que otros serán relegados a los clásicos menos seguros? ¿Y los gobiernos comenzarán a insistir en que necesitan puntos de acceso especiales a las redes cuánticas, tal como ahora agitan las puertas traseras hacia el software y los teléfonos inteligentes?

Si el equipo de QuTech puede superar los obstáculos técnicos que enfrenta, estaremos un paso más cerca. Y los investigadores de los Países Bajos no son los únicos a los que hay que vigilar. China está tramando un plan para una red de comunicaciones completamente cuántica que conectaría la ciudad de Zhuhai con Hong Kong. Y con Micius y su red terrestre existente, los chinos han demostrado cuán rápido pueden avanzar. La carrera hacia una Internet cuántica está realmente en marcha.

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