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lunes, septiembre 28, 2020

Harvard y el MIT dan un paso decisivo para el internet cuántico

Científicos en Estados Unidos han dado un paso decisivo para desarrollar un internet cuántico capaz, por ejemplo, de blindar mensajes ante ataques de jáqueres, mejorar la precisión de los GPS o facilitar la computación cuántica en la nube.

La revista Nature publica este lunes un estudio efectuado por expertos de la Universidad de Harvard y del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en el que presentan un prototipo de nodo cuántico listo para captar, almacenar y entrelazar bits de información cuántica.

“Desde hace dos décadas”, explican los autores en un comunicado, los esfuerzos para crear una red cuántica de esas características se han topado con las dificultades que presenta la transmisión, sin pérdidas, de señales cuánticas a través de largas distancias.

Este prototipo de nodo cuántico, señalan, corrige esa pérdida de señal, común hoy en día en cualquier tipo de tecnología de comunicación de larga distancia, ya sea desde el primer telégrafo hasta el actual internet de fibra óptica.

En consecuencia, podría convertirse en la pieza definitiva para crear un internet cuántico práctico y para contribuir al desarrollo de redes cuánticas de larga distancia.

“Esta demostración representa un avance conceptual que podría extender el rango más largo posible de redes cuánticas y permitir, en principio, muchas aplicaciones nuevas de una manera que es imposible con las tecnologías existentes”, indica Mikhail Lukin, codirector de la Iniciativa Cuántica de Harvard (HQI, por sus siglas en inglés).

En redes de comunicación actuales, los mensajes que se envían, por ejemplo, dos personas desde puntos lejanos “viajan” en una infraestructura más o menos lineal y, en su camino, pasan por repetidores que leen y amplifican la señal y corrigen errores.

Ese proceso, alertan los expertos, es vulnerable y está expuesto a ataques.

Por contra, si esas dos personas quieren enviarse un mensaje cuántico, el proceso cambia porque sus redes usan partículas cuánticas de luz (fotones individuales) para comunicar estados luminosos en largas distancias.

Además, a diferencia de las tradicionales, esta redes cuánticas presentan la llamada capacidad de “entrelazamiento”, que permite que los bits de información estén perfectamente correlacionados a través de cualquier distancia.

Gracias al “entrelazamiento”, destacan los autores, los mensajes son invisibles si no hay cambios y no pueden ser espiados o interceptados, lo que abre la puerta al desarrollo de aplicaciones de criptografía cuántica.

No obstante, precisan, la comunicación cuántica de larga distancia también puede verse afectada por una pérdida convencional de fotones y este ha sido, hasta la fecha, el principal obstáculo para crear un internet cuántico a gran escala.

Asimismo, el mismo principio físico que permite desarrollar una comunicación cuántica de alta seguridad impide el uso de repetidores convencionales para hacer frente al deterioro de la información, ya que, si no pueden detectar la señal invisible, tampoco pueden amplificarla o corregirla.

La solución a este problema la han encontrado en el HQI y el MIT con el desarrollo de un repetidor cuántico.

Frente a los repetidores tradicionales, que amplifican la señal a través de una red existente, los cuánticos crean una red de partículas entrelazadas sobre la que se puede transmitir un mensaje.

De esa manera, en cada punto del sistema, el repetidor puede captar y procesar bits cuánticos de información cuántica para corregir errores y almacenarlos el tiempo necesario, a fin de que el resto de la red esté preparada.

Sin embargo, los expertos no habían podido ponerlo en práctica hasta ahora por dos factores: la dificultad para atrapar fotones individuales y la fragilidad de la información cuántica, lo que complica su procesamiento y almacenamiento durante largos periodos de tiempo.

En este sentido, Lukin y sus colaboradores han trabajado con unos sistemas que pueden llevar a cabo esas dos tareas, los llamados “centros de color de vacantes de silicio en diamantes”.

Estos centros, detalla, son los defectos diminutos presentes en la estructura atómica de los diamantes que, al absorber e irradiar luz, dan lugar al característico color brillante de este mineral.

Así, los expertos integraron centros de color individuales en cavidades de diamantes fabricados con nanotecnología para confinar la información que portan los fotones y forzarlos a interactuar con cada centro.

Después, introdujeron este dispositivo en un refrigerador de dilución, con temperaturas cercanas al cero absoluto, y enviaron a través de cables de fibra óptica fotones individuales al interior del refrigerador, donde quedaron atrapados por el centro de color.

Este dispositivo puede almacenar información cuántica durante milisegundos, el tiempo suficiente para que pueda ser transportada a través de miles de kilómetros.

“Combina los tres elementos más importantes de un repetidor cuántico, una memoria grande, la capacidad de capturar eficazmente informaciones de fotones y la manera de procesarlas localmente”, agrega Bart Machielse, del Laboratorio de Nanoescala Óptica de Harvard.

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