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por DavideCastelvecchi
16 Agosto 2008
Vol.174 #4
del Sitio Web ScienceNews
traducción de
Adela Kaufmann
Versión
original en ingles
El
Cifrado Cuántico está aquí,
Pero las leyes de la física pueden hacer mucho más
Que proteger la privacidad.
Una forma nueva y elegante de navegar por la Internet está llegando
a Viena en el otoño.
Los investigadores planean mover de un tirón el interruptor en el
siguiente paso hacia una versión cuántica de la Internet. Se
va a construir una red que permita a los usuarios enviar mensajes
entre sí como cifras prácticamente irrompibles, con la privacidad
protegida por las leyes de la física cuántica.
La red de Viena es sólo un prototipo para fines de investigación. Tampoco
es todavía una verdadera versión
cuántica de la Internet. A
pesar de que puede transmitir datos ordinarios con seguridad
cuántica, no puede transferir la información cuántica que codifica
los estados de objetos que obedecen las reglas cuánticas.
Este avance podría estar años lejos, pero está cada vez más cerca.
La verdad sea dicha, no está del todo claro para qué sería bueno un
Internet completamente cuántico. De
hecho, al principio ni siquiera parece una idea realmente mala. La
información cuántica es notoriamente inestable. Un
objeto tiende a vivir en una superposición de estados - por ejemplo,
un electrón puede girar en dos direcciones a la vez, o un átomo
puede estar simultáneamente en dos lugares diferentes - hasta la
interacción con el resto del mundo hace que el objeto recoja un
estado.
La
realidad cuántica es un limbo de posibilidades coexistentes.
Y debido a que cualquier medida hecha de un sistema cuántico cambia
irreversiblemente el estado del sistema, la información cuántica es
diferente cada vez que se lee. Eso
hace que sea imposible, por ejemplo, copiar, transmitir o hacer
copias de seguridad de los datos cuánticos.
Pero la física excéntrica también podría impartir fortalezas únicas
a las redes.
Mientras que cada bit de datos en una computadora ordinaria toma el
valor 0 o 1, las unidades de información cuántica, llamado pedacitos
(bits) cuánticos o qubits, para
abreviar, puede tomar dos valores simultáneamente. Una
Internet cuántica podría transferir datos entre el software y las
futuras (y futurista) computadoras cuánticas, que podrían superar a
los ordenadores normales mediante la ejecución de varias operaciones
a la vez, en superposición.
Y
la red podría conducir a nuevos tipos de interacciones sociales -
como dejar que la
física cuántica elija
un candidato presidencial que agrade a la mayoría de los votantes o
permitiendo a la gente donar a una causa en función de si otros
donan también - y se hace en el más absoluto secreto.
Tal vez - y esto va en camino hacia territorio StarTrek -
algún día una red cuántica incluso podría "enviar un rayo" hacia un
objeto físico. Toda
la información necesaria re- crear el objeto, tal como su forma y
energía, serían transferidos en otro lugar, dejando atrás sólo el
caos.
Mientras tanto, cuando el interruptor es invertido el 8 de octubre,
la red de Viena demostrará cómo la física cuántica puede mantener la
información ordinaria, como un e-mail o el saldo de una cuenta
corriente, a salvo de miradas indiscretas.
Este último paso hacia la Internet cuántica es una red
troncal limitada, que a menudo se ejecutará a la velocidad de un
módem de 1980. Para
conectarse a ella, un usuario tendría que comprar equipo caro y
vincular una fibra óptica a uno de los cinco nodos de la red troncal. Pero
es un paso.
Mientras tanto, la mayoría de los ingredientes básicos técnicos de
una Internet verdaderamente cuántica han sido ahora demostrados, al
menos en el laboratorio.
En
concreto, los investigadores han creado varios tipos de "memoria
cuántica", en la cual los pulsos de luz que viajan a través de una
fibra óptica esencialmente frenan hasta detenerse, un requisito
crucial para la versión cuántica de un enrutador (router) de
Internet.
Así que puede ser sólo una cuestión de tiempo antes de que los
científicos puedan comenzar a irradiar cosas - o por lo menos los
datos.
"Me siento optimista de que en pocos años vamos a ser capaces de
construir por lo menos una demostración de laboratorio de una red
cuántica", dice Mikhail Lukin de la Universidad de Harvard.
Una sólida clave cuántica
En los túneles que se extienden debajo de Viena y el río Danubio,
pulsos de luz serán transmitidos a lo largo de este mes de octubre a
través de decenas de kilómetros de fibras ópticas existentes de
propiedad del conglomerado alemán de ingeniería Siemens.
Una colaboración de más de 40 universidades, empresas y centros de
investigación será reconstruir las tecnologías para vincular cinco
edificios Siemens, cuatro de ellos esparcidos por toda la ciudad y
uno a 87 kilómetros de distancia, en la localidad de St. Pölten.
Las conexiones de edificio a edificio utilizarán un número de
sistemas de encriptación cuántica para transmitir la información,
muchas de ellas inspiradas en una versión de cifrado cuántico
propuesta por primera vez en 1991 por Artur Ekert, ahora en la
Universidad Nacional de Singapur.
Con el procedimiento de Ekert, el emisor y el receptor, llamados
convencionalmente Alice y Bob, utilizan tanto una conexión cuántica
como una clásica, que podría ser la vieja Internet o bien una línea
de teléfono.
A través de la conexión cuántica, Alice y Bob establecen una clave
de cifrado común - una secuencia secreta de bits de datos que Alice
va a utilizar para codificar su mensaje, y Bob para descifrarlo.
Alice puede enviar su mensaje codificado a Bob a través de la
conexión clásica, por ejemplo, como un archivo adjunto de correo
electrónico.
Para alguien que no conoce la clave, el mensaje de Alice se vería
como una secuencia aleatoria de bits. Incluso
el ordenador más sofisticado imaginable no sería capaz de
descifrarlo. Pero
Bob conoce la clave para poder descifrar el mensaje.
Mantener en secreto la clave cuando la crean es la parte crucial, y
aquí es donde Ekert explota
la física cuántica - específicamente, un extraño fenómeno llamado entrelazamiento
cuántico. En
la física cuántica, cada uno de los dos objetos pueden existir en su
propio estado, o los estados de los objetos pueden entrelazarse, lo
que significa que, mientras están separados, no son independientes
uno de otro.
Tome los fotones, las partículas elementales que forman la radiación
electromagnética, incluyendo la luz.
Los fotones se mueven hacia los lados a medida que se desplazan a lo
largo de una fibra óptica. Dos
fotones pueden moverse en direcciones independientes, llamadas polarizaciones
lineales. Pero
dos fotones también pueden entrelazarse, de modo que, por ejemplo,
cuando un fotón está polarizado verticalmente, el otro debe ser
polarizado horizontalmente, y viceversa.
El cifrado estilo-Ekert, un dispositivo láser crea pares de fotones
entrelazados y envía (a lo largo del cable de fibra óptica) un fotón
entrelazado de cada par a Alice y el otro a Bob.
Debido a que los fotones en cada par tienen polarizaciones
correlacionadas, Alice y Bob ahora podrían convertir esa información
en una clave común, que por ejemplo podría contener un 0 para cada
fotón de polarización vertical y un 1 para cada uno de polarización
horizontal.
Sin embargo, Alice y Bob también quieren estar seguros de que los
fotones que están utilizando no han sido interceptados por un espía,
inevitablemente conocido como Eva. Cualquier
Eva que intercepte los fotones, tratando de robar la clave, va a
cambiar los estados de los fotones", o incluso los va a destruir, ya
que es imposible medir el estado de un sistema cuántico sin
cambiarlo irreversiblemente.
Alice y Bob, por el teléfono, entonces, van a comparar notas sobre
los fotones de prueba. Si
se dan cuenta de las discrepancias, sabrán que Eva estuvo allí, así
es que van a eliminar la clave y van a volver a empezar.
Los sistemas de encriptación cuántica ya están disponibles
comercialmente (por ejemplo Pretty Good Privacy -
PGP). Algunos
son propiedad de las instituciones bancarias, por ejemplo, y se
emplearon el pasado otoño en Suiza para transmitir los datos
electorales de un centro de votación electrónica.
Hasta ahora, sin embargo, estos vínculos han sido en su mayoría
punto-a-punto en lugar de redes con múltiples usuarios.
Con una red de líneas cuánticas cifradas como el que está siendo
construido en Viena, los usuarios sólo tendrán que enlazarse al nodo
más cercano a ellos. Cuando
un usuario desea enviar un mensaje secreto a otro, el mensaje se
desplazará de forma encriptada, del primer usuario a un nodo de
entrada. Allí,
el mensaje será descifrado y se encriptado nuevamente (usando una
nueva clave) que se enviará al siguiente nodo.
Lo
mismo ocurrirá en cada nodo en el medio, hasta que el mensaje llegue
a su destino.
La privacidad será garantizará, siempre que las ubicaciones del
remitente, el receptor y los nodos intermedios permanezcan
protegidos de la intrusión. (Al
encaminar mensajes a través de varios nodos simultáneamente, y
utilizando algunos trucos matemáticos, la red realmente garantiza la
privacidad, incluso si uno de los nodos es quebrantado.)
Este cifrado por partes - una solución adoptada también en menor
escala en una red quántica en el área de Boston establecida en 2003
- es necesaria debido a una limitación fundamental en la transmisión
de fotones.
RAM Cuántico
Compartir una clave de cifrado entre dos usuarios requiere el envío
de fotones individuales - fotones entrelazados en el caso del
esquema de Ekert.
Pero algo tan pequeño como un fotón fácilmente se pierde o absorbe
incluso en la más alta calidad de fibra-óptica, dice Norbert Lütkenhaus de
la Universidad de Waterloo en Canadá, un físico cuántico que ayudó a
diseñar la red de Viena.
"Se pierde la mitad de los fotones cada 15 kilómetros", dice.
El
establecimiento de una clave, por lo tanto, se vuelve
exponencialmente más lento al aumentar la distancia. Lütkenhaus
calcula que 25 kilómetros es todavía una buena distancia para una
comunicación cuántica decentemente eficiente, pero más allá de esa
distancia es necesaria una solución diferente.
En el caso de las comunicaciones ópticas ordinarias, el problema de
la pérdida de fotones se resuelve fácilmente mediante la adición de
"repetidores" a lo largo de la línea - aparatos que reciben
debilitados pulsos de láser y los reemplaza con pulsos más fuertes.
Pero los repetidores normales no funcionan para sistemas cuánticos
como los fotones individuales.
Por un lado, como señala Lukin,
"Si se envía un solo fotón, y este se pierde, no queda nada para
amplificar".
Y
si el fotón llega al nodo, las leyes de la física cuántica prohíben
copiar completamente su estado cuántico, por lo que parte de la
información del fotón inevitablemente se perderá.
En
particular, si el fotón se enreda con otro fotón en otro lugar, el
entrelazamiento se perderá.
Sin embargo, en 2001 Lukin y sus colaboradores visualizaron un modo
de sortear este problema mediante la creación de pares entrelazados
de fotones que están muy alejados. De
concretarse, su esquema permitiría la comunicación a larga
distancia, cifrada cuánticamente.
Si los fotones pueden ser entrelazados en largas distancias, podrían
permitir que las personas interactúen en formas que no son posibles
en el ámbito de la física clásica.
Una fuente de entrelazado es que hace posible
la teleportación
cuántica. Esa
es una forma casi mágica de transferir el estado cuántico de un
objeto sobre otro objeto, posiblemente lejos. Digamos
que Alice tiene un fotón X, que quiere teletransportar a Bob.
Alice también tiene un fotón Y, que se enreda con un fotón Z que es
propiedad de Bob. Alice
entonces hace que sus dos fotones interactúen. De
esta manera, el estado de X se entrelaza con el estado de Y, y por
lo tanto con el estado de Z.
Alice entonces destruye X y Y midiendo sus estados, y ella llama a Bob
para informarle sobre los resultados. Usando
esa información, Bob puede ahora girar el estado de Z para que sea
idéntico al estado original de X. Alice ha sacrificado los dos
fotones en su posesión, pero como resultado, Bob ahora tiene una
copia exacta del fotón original, el fotón X.
La idea de Lukin de crear enredos de larga distancia se basa en un
nuevo truco conocido como intercambio de entrelazamiento. En
enredo de intercambio de entrelazamiento, cada una de dos fuentes
produce un par de fotones entrelazados.
Los fotones de la primera fuente, por ejemplo, digamos A y B, no se
enredan con aquellos de la segunda fuente, por ejemplo C y D. Luego,
B y C son presentados al mismo detector. Allí,
B y C interactúan y se destruyen, provocando que A y D se enreden
incluso aunque nunca estuvieron uno cerca del otro.
Las aplicaciones repetidas de entrelazamiento intercambiándose sobre
una cadena de nodos pueden crear pares de fotones entrelazados que
están cada vez más lejos unos de otros. Eventualmente,
todos los fotones son destruidos, a excepción de los que están en
los extremos opuestos de la cadena. Los
dos terminan entrelazados.
El método parece a prueba de fallos en el papel, pero en la práctica,
en cada paso, por lo menos algunos de los fotones tienen una alta
probabilidad de perderse. Pero
si de alguna manera se pudieran almacenar pares de fotones que han
sido atrapados exitosamente, mientras que otros pares están siendo
generados, el entrelazamiento a larga distancia sería posible a una
velocidad razonable.
La
clave para las redes cuánticas, entonces, es la capacidad de
mantener los fotones entrelazados en una especie de RAM cuántico.
Captura y liberación
En 2001, Lukin y sus colaboradores, y un grupo independiente de
Harvard dirigido por Lene Hau, crearon la primera memoria
cuántica rudimentaria, fundamentalmente desacelerando la luz a un
rastreo en el interior de las nubes de átomos (SN:
1/27/01, p 52).
Desde entonces, varios grupos han realizado cada vez más trucos de
memoria cuántica cada vez más avanzados.
Por ejemplo, los grupos liderados por Lukin, Alex Kuzmich del
Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta y Jeff Kimble, del
Instituto de Tecnología de California en Pasadena fueron capaces de
tomar un fotón emitido por una nube de átomos y almacenarlo en otra
nube de átomos.
Y
en septiembre pasado, Christopher Monroe y su equipo de la
Universidad de Maryland en College Park fueron capaces de entrelazar
dos qubits hechos
de iones individuales.
Más recientemente, el 6 de marzo en Nature, un equipo dirigido por
Kimble describió lo que puede ser el tipo más avanzado de memoria
cuántica hasta la fecha. Los
investigadores capturaron dos estados de fotones entrelazados en
nubes de átomos y fueron capaces de liberar los estados a demanda.
Los estados de fotones permanecieron atrapados durante la captura y
liberación.
"Pusimos entrelazado en la materia y luego la leímos", dice el
coautor de Kimble, Julien Laurat, que entonces era un colega de Kimble
en Caltech, pero ahora está en el Pierre y Marie Curie, Universidad
de París.
Primero, Kimble, Laurat y sus colegas dispararon fotones de uno en
uno en un espejo semitransparente. En
esta situación, cada fotón, presentó la opción de rebotar o
comprimirse a través, no se decidirán de inmediato.
En
su lugar, dividirá su camino en dos, una superposición de ambas
posibilidades. Sólo
cuando se ven forzados a interactuar, por ejemplo mediante la
ejecución en un detector, los fotones aparecerán en un solo lugar o
en el otro. Debido
a que estas dos mediciones se excluyen mutuamente en lugar de
independientemente, los dos caminos son estados entrelazados.
Luego, los investigadores atraparon cada uno de los fotones
virtuales en una nube de átomos de cesio. Utilizando
un pulso láser, los físicos volvieron transparentes las nubes, para
permitir entrar a los fotones. Cuando los físicos apagaron el láser,
las nubes volvieron opacas, atrapando los fotones en el interior.
Eso obligó a los fotones prácticamente a detenerse, ya que sus
estados cuánticos se entrelazaron con los estados cuánticos de las
nubes.
Así que las nubes mismas se volvieron entrelazadas.
El equipo fue capaz de almacenar la información cuántica - preservar
el entrelazamiento - hasta por 10 microsegundos. Un
segundo pulso láser volvió nuevamente transparente el gas,
permitiendo que los dos fotones virtuales escaparan y continuaran su
camino. Los
físicos pudieron comprobar que los dos estados de fotones seguían
entrelazados.
Lo que falta ahora, dice Laurat, es la capacidad de enredar dos
qubits separados por intercambio de estrangulamiento.
Aún así, dice Lukin, el resultado de Caltech fue "un paso importante".
En otro resultado reciente, Kuzmich y sus colaboradores indujeron
una nube de átomos a emitir dos fotones a la vez, con longitudes de
onda, cada una optimizada para diferentes tareas - para la
transmisión a través de una fibra óptica y para el almacenamiento en
otro qubit. Típicamente,
los fotones individuales emitidos por nubes de átomos tienden a
tener longitudes de onda muy cortas para las telecomunicaciones
eficientes, dice Kuzmich.
Según Lukin, eventualmente, una práctica memoria cuántica tendrá que
almacenar información en algún tipo de soporte sólido. En
este sentido, dice, las impurezas de un solo átomo en diamante
artificial es uno de los candidatos más prometedores, ya que no se
requeriría ningún laboratorio sofisticado para manejarlo (SN:
4/5/08, p 216).
La
mayor parte de las piezas necesarias para armar una Internet
cuántica existen ahora, y el reto será hacer que trabajen juntos de
manera eficiente.
Con la mejor tecnología disponible hasta el momento, un prototipo
que funcione podría terminar costando hasta US $100 millones, y
podría ser capaz de enviar un solo qubit por minuto, dice Kuzmich.
Una pregunta más razonable podría ser: ¿Para qué serviría una
Internet cuántica? Hasta
el momento, la principal motivación para los investigadores ha sido
la de proporcionar comunicaciones seguras.
Sin embargo, una Internet cuántica podría algún día hacer cosas que,
hasta hace poco, habrían sonado completamente a ciencia ficción.
Citaciones
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Poppe, A., M. Peev, y O. Maurhart 2008. Esquema
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Bradley, A.S., et al. 2007. La
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-
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-
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-
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en [Ir
a] .
doi:10.1038/35106500
-
Choi, K.S. .. J.
Laurat y H.J.Kimble 2008. Mapeo
de entrelazamiento fotónico dentro y fuera de una memoria cuántica. Nature
452 (6 de marzo): 67. doi:
10.1038/nature06670
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