Luz enredada, dinero cuántico

En los últimos años, el físico austriaco Anton Zeilinger ha hecho rebotar fotones entrelazados de satélites en órbita y ha hecho que existan moléculas de fullereno de 60 átomos en superposición cuántica, esencialmente, como una mancha de todas sus posibles posiciones y estados de energía en el espacio-tiempo local. Ahora espera intentar el mismo truco con bacterias cientos de veces más grandes. Mientras tanto, Hans Mooij de la Universidad Tecnológica de Delft, con Seth Lloyd, quien dirige el Centro de Teoría de la Información Cuántica Extrema del MIT, ha creado estados cuánticos (que ocurren cuando las partículas o sistemas de partículas se superponen) en escalas muy por encima del nivel cuántico mediante la construcción de un bucle superconductor, visible para el ojo humano, que transporta una supercorriente cuyos electrones corren simultáneamente en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario, sirviendo así como un circuito de computación cuántica.

Dos nodos de una red cuántica que los investigadores de Caltech crearon al detener los fotones entrelazados dentro de dos conjuntos de átomos de cesio alojados en un sistema de vacío ultra alto. El almacenamiento temporal del entrelazamiento proporciona una base para el almacenamiento de datos cuánticos, que podría ser útil para diversas aplicaciones, incluida la criptografía cuántica.

El físico Richard Feynman propuso la idea de la computación cuántica en 1981 para explotar el potencial de procesamiento de información de átomos, fotones y partículas elementales. A estas alturas, el campo ha avanzado lo suficiente como para que los investigadores no solo puedan manipular la física para obtener efectos experimentales sin precedentes, sino que también han propuesto aplicaciones comerciales.

Esta historia fue parte de nuestro número de septiembre de 2009

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Pero antes de que tecnologías como las comunicaciones cuánticas, la computación y la metrología puedan realizar su potencial (una Internet cuántica y dinero irrenunciable son dos posibilidades interesantes), las redes cuánticas deben poder transmitir y almacenar datos. El grupo de óptica cuántica del Instituto de Tecnología de California ha estado trabajando para lograr este objetivo. El equipo está dirigido por H. Jeff Kimble, profesor de física de Valentine, quien dirigió el esfuerzo de 1998 que logró la primera teletransportación inequívoca del estado cuántico de un fotón, es decir, la información representada por su giro, energía y demás, a otro fotón. . Ahora, Kimble y su equipo han demostrado una forma de entrelazamiento, la relación no local que permite la teletransportación cuántica, que Einstein descartó con escepticismo como una acción espeluznante a distancia, que se creará en redes.

Así como el movimiento de los electrones en los circuitos del microprocesador transmite datos dentro de las computadoras actuales, la teletransportación de estados cuánticos entre partículas entrelazadas realizaría esa tarea en las redes cuánticas. En cuanto al almacenamiento de datos, dice Kyung Soo Choi, un investigador del grupo de Kimble, una pregunta central que resolvió uno de sus experimentos recientes fue: ¿Cómo se convierte la luz entrelazada en un entrelazamiento de materia y de nuevo en luz? Los estados entrelazados son frágiles y las redes de luz entrelazada requerirán dispositivos de repetición, al igual que las redes de fibra óptica de larga distancia requieren dispositivos de repetición optoelectrónicos para regenerar señales decrecientes. Por lo tanto, el entrelazamiento deberá generarse y almacenarse en subsistemas de componentes dentro de una red cuántica mayor. Ahora Kimble y su equipo han demostrado una solución técnica al problema.

RECURSOS:
Nodos cuánticos funcionales para distribución de entrelazamientos en redes cuánticas escalables
Chin-Wen Chou, Julien Laurat, Hui Deng, Kyung Soo Choi, Hugues de Riedmatten, Daniel Felinto y H. Jeff Kimble
Ciencias 316: 1316–1320 (2007)

Mapeo del entrelazamiento fotónico dentro y fuera de una memoria cuántica
K. S. Choi, H. Deng, J. Laurat y H. J. Kimble
Naturaleza 452: 67–71 (2008).

El equipo de Caltech utilizó dos conjuntos de átomos de cesio en cuyos estados influyeron con un láser, haciéndolos transparentes u opacos según fuera necesario para manipular las velocidades de los fotones entrantes. Luego, los investigadores dividieron fotones individuales, colocándolos en superposición, es decir, eran parte de la misma función de onda cuántica y, por lo tanto, se entrelazaban, mientras se aseguraban de que se propagaran a lo largo de dos caminos hacia los dos conjuntos de cesio. Choi explica: Redujimos la velocidad de la luz y la detuvimos dentro de la materia desactivando el láser de control que hacía transparentes los conjuntos de cesio, por lo que la información cuántica, la luz entrelazada, se almacenó dentro de los conjuntos atómicos. Al reactivar el láser de control, volvimos a acelerar los fotones a la velocidad normal, restaurando los rayos de luz entrelazados. Hasta ahora, los investigadores de Caltech han almacenado enredos en la materia durante lapsos de un microsegundo. Kimble estima que él y su equipo pueden extender eso a 10 microsegundos.

Kimble posee los modales cortesanos de un caballero de Texas, como descubrí después de que su gerente de laboratorio lo encontró 15 minutos en el horario después de dos semanas cuando el físico estaba ausente, haciendo presentaciones en cuatro conferencias en dos continentes. Esos 15 minutos se convirtieron en un tutorial sobre los avances técnicos recientes para verificar y cuantificar el entrelazamiento. La medición es el problema central en la mecánica cuántica, ya que cualquier partícula o sistema existe en un estado cuántico solo hasta que otro sistema, ya sea uno tan pequeño como una molécula de aire perdida o tan complejo como un observador humano, obtiene información sobre él y, por lo tanto, colapsa ese estado. . Esto es algo increíblemente abstruso. Sin embargo, además de discutir la metrología cuántica, Kimble hizo una afirmación fácilmente comprensible: la base técnica de nuestra sociedad es el comercio de información. En los próximos 20 años, la ciencia de la información cuántica, una fusión de la informática y la mecánica cuántica que no existía hace 20 años, cambiará radicalmente ese comercio.

La tecnología revolucionaria que imagina Kimble son las grandes redes cuánticas, que se asemejan a Internet pero se basan en el entrelazamiento. ¿Qué ventajas inherentes promoverían el desarrollo y la adopción de tales redes?

Sustanciales. Las redes cuánticas ya se han construido a escala limitada. En 2004, el primer sistema de criptografía cuántica permanente del mundo se activó en Cambridge, MA, vinculando a Harvard, la Universidad de Boston y el contratista de DARPA BBN Technologies (anteriormente conocido como Bolt Beranek y Newman, bajo cuyo nombre la compañía creó el ARPAnet original). En la actualidad, id Quantique, una empresa suiza, y MagiQ Technologies, una estadounidense, ofrecen módulos comerciales que utilizan fibra óptica para transmitir claves cuánticas, en forma de fotones codificados como bits controlando su polarización, a distancias limitadas que superan los 100 kilómetros. Dado que el intento de interceptación de estas partículas de luz perturbaría su estado y expondría a escuchas clandestinas, estos sistemas de criptografía cuántica ofrecen una seguridad de datos absoluta.

Además, la perspectiva de la computación cuántica fue lo que proporcionó el ímpetu inicial para la investigación de redes cuánticas. Si dicha computación se puede hacer en serio (hasta ahora, los experimentos han utilizado como máximo siete qubits, o dígitos binarios cuánticos), promete superar la computación clásica en aspectos significativos. Scott Aaronson, un experto del MIT en complejidad computacional, cita el algoritmo publicado en 1994 por el matemático del MIT Peter Shor como el avance que demostró que la computación cuántica es una propuesta viable al demostrar que podría factorizar números muy grandes en un tiempo de computación razonable. Debido a que esa tarea ha ido más allá de las computadoras clásicas, la mayor parte de la criptografía de clave pública se ha basado hasta ahora en factorizar números grandes. Pero sería vulnerable al criptoanálisis basado en la computación cuántica. Como dice Aaronson, es por eso que la Agencia de Seguridad Nacional está interesada en la computación cuántica. La criptografía cuántica, sin embargo, ofrecería seguridad a los datos contra la rotura de códigos cuánticos, así como contra el criptoanálisis regular.

Además de garantizar la seguridad de los datos, las redes repetidoras cuánticas de área amplia, o QWAN, que Kimble tiene en mente, tendrían pocos de los problemas de latencia de las redes actuales; de hecho, podrían ser tan casi instantáneas como lo permita la velocidad de la luz. Además, el paralelismo exponencial que daría a la computación cuántica su poder –con dos partículas entrelazadas, o qubits, que representan cuatro valores diferentes, cuatro valores de qubits 16, y así sucesivamente– debería aplicarse a las redes de dispositivos de computación cuántica. Kimble dice: Aunque habrá un tamaño más grande alcanzable para el espacio de estados de las unidades de procesamiento cuántico individuales, será posible superarlo uniendo esas unidades en una red completamente cuántica. El espacio de estados de una computadora cuántica es el rango completo de estados potenciales en los que la computadora podría existir. Cuando se ejecuta un algoritmo cuántico, este proceso computacional colapsa ese espacio de estados y reduce el rango de estados posibles de la computadora a uno solo: la respuesta correcta al problema dado. Con una red de computadoras cuánticas, afirma Kimble, la potencia computacional exponencial de cada dispositivo se multiplicaría exponencialmente.

Seth Lloyd, del MIT, ha pensado en las opciones de diseño para redes cuánticas. Él dice: Las redes que utilizan conjuntos de átomos de cesio son una de las tecnologías más prometedoras para transportar información cuántica a largas distancias. Sin embargo, el enfoque de conjunto es relativamente voluminoso, y cuanto más grande es un sistema cuántico, mayores son los problemas para la computación. Lloyd dice: Los enfoques basados ​​en circuitos, como los bucles superconductores, son más escalables en un espacio pequeño, con una cantidad potencialmente grande de qubits en una placa de circuito. Pero tales sistemas no son adecuados para las comunicaciones. Kimble y yo hemos colaborado en conceptos utilizando átomos individuales en lugar de conjuntos, dice. Si pudiéramos mover información entre conjuntos atómicos e iones individuales y trampas de iones, esa es una tecnología cuántica escalable. Un escenario plausible, según Lloyd, parece ser el uso de conjuntos para las comunicaciones y los dispositivos cuánticos más localizados y escalables, como los bucles superconductores o las trampas de iones, para la computación.

Entonces, Kimble tiene un argumento razonable de que las redes cuánticas son factibles. Y las ventajas que prevé —seguridad absoluta de los datos, ausencia de latencia y una ganancia exponencial adicional en el poder computacional— difícilmente serían despreciables en el mundo del comercio de información.

Algunas aplicaciones comerciales de la tecnología de la información cuántica son bastante obvias. Los comerciantes de acciones humanos han llegado a confiar en los programas comerciales computarizados conocidos como comerciantes de alta frecuencia (HFT). Algunos días, estos generan más de la mitad del volumen en la Bolsa de Valores de Nueva York. Las principales instituciones comerciales han gastado millones en desarrollar sus algoritmos para analizar datos de mercado y ejecutar una gran cantidad de operaciones de acuerdo con estrategias que son, en su mayoría, variaciones sofisticadas en la compra de microsegundos después de que llegan algunos datos y luego venden microsegundos más tarde a expensas de otros operadores que no pudieron ' t obtengan los datos o sus transacciones con la misma rapidez. Los operadores de futuros que utilicen redes cuánticas casi instantáneas tendrán claras ventajas sobre los que no lo hagan.

También son posibles otras aplicaciones comerciales. Scott Aaronson sugirió uno de ellos en un artículo llamado Quantum Copy-Protection y Quantum Money. Observó que los estados cuánticos no se pueden copiar porque cualquier proceso de medición los destruye, lo que plantea la posibilidad de utilizar estados cuánticos como información no clonable. Explotar esta posibilidad requerirá eludir el hecho de que los estados cuánticos colapsan bajo la medición y crear, primero (a los efectos del dinero cuántico), estados no clonables que puedan verificarse como auténticos, y segundo (a los efectos de la protección de copia cuántica), estados no clonables que lo harían. seguir permitiendo el uso del software protegido, DVD, CD, etc. Aaronson demostró que al menos un tipo de dinero cuántico verificable públicamente y dos esquemas de protección de copia basada en cuántica son teóricamente factibles, lo que plantea la posibilidad, por primera vez, de dinero absolutamente irrenunciable y protección insuperable de derechos digitales.

La primera generación de dinero surgió con la invención de las monedas en Lydia hace casi 3.000 años, su segunda generación con las letras de cambio en papel emitidas por los bancos de la Italia del Renacimiento y la tercera con el dinero electrónico y la economía virtual de la era moderna. Si científicos como Kimble y Aaronson están en lo cierto, las redes cuánticas pronto pueden dar lugar a una nueva generación de dinero.

Mark Williams es un editor colaborador de Revisión de tecnología.

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