Artículo publicado por Jim Heirbaut el 11 de abril de 2012 en Science Now
Durante más de una década, los físicos han estado desarrollando métodos mecánico cuánticos para enviar mensajes secretos sin miedo a que pudiesen interceptarse. Pero aún no han creado una auténtica red cuántica – el análogo definitivo mecánico cuántico de una red común de telecomunicaciones en las que puede forjarse una conexión imposible de atacar entre dos estaciones o “nodos” cualesquiera de una red. Ahora, un equipo de investigadores de Alemania ha construido el primer enlace cuántico auténtico usando dos átomos distantes. Podría construirse una red completa combinando muchos de tales enlaces, dicen los investigadores.
“Estos resultados son un logro notable”, dice Andrew Shields, que trabaja en física aplicada y es director ayudante de gestión en Toshiba Research Europe Ltd. en Cambridge, Reino Unido, quien no estuvo implicado en el trabajo. “En el pasado hemos construido redes que pueden comunicarse usando información cuántica, pero convirtiéndola en a su forma clásica en los puntos de intercambio de la red. [Los investigadores] informan de los experimentos preliminares sobre la formación de una red en la que la información permanece en su forma cuántica”.
Comunicación cuántica © Crédito: Andreas Neuzner/Max Planck Institute of Quantum Optics
Los esquemas de comunicación cuántica normalmente aprovechan el hecho de que, de acuerdo con la teoría cuántica, es imposible medir la condición o “estado” de una partícula sin perturbarla. Por ejemplo, supón que Alice quiere enviar a Bob un mensaje secreto. Puede hacer el cifrado de manera tradicional, escribiendo el mensaje en forma de un número binario largo y blindándolo de cierta forma matemática con una “clave” para formar otra larga cadena de ceros y unos. Bob puede usar la misma clave para descifrar el mensaje.
Pero primero, Alice debe enviar a Bob la clave sin que nadie más la vea. Puede hacer esto si codifica la clave en partículas aisladas de luz, o fotones. Los detalles varían, pero los esquemas generalmente aprovechan el hecho de que una fisgona, Eve, no puede medir los fotones aislados sin alterar su estado de alguna manera que Alice y Bob puedan detectar comparando notas antes de que Alice codifique su mensaje y lo envíe. Esta “distribución de clave cuántica” ya se ha demostrado en redes, en una de hasta seis nodos en Viena en 2008, y distintas compañías ofrecen dispositivos de distribución de clave cuántica.
Tales esquemas sufren una limitación significativa, no obstante. Aunque la clave se pasa de un nodo a otro de forma cuántica, debe leerse y regenerarse en cada nodo de la red, dejando los nodos vulnerables a ataques. Por tanto, a los físicos les gustaría crear nodos de red que sean por sí mismos completamente mecánico cuánticos – es decir, estén formados por átomos individuales.
De acuerdo con la mecánica cuántica, un átomo puede tener sólo unas ciertas cantidades discretas de energía de dependiendo de cómo giran sus tripas. Extrañamente, un átomo también puede estar en dos estados distintos de energía – llamémoslos 0 y 1 – a la vez, aunque esta incierta condición de dos estados simultáneos “colapsa” en uno u otro tan pronto como se realiza una medida en el átomo. El “entrelazamiento” lleva la extrañeza a extremos absurdos. Dos átomos pueden estar entrelazados de manera que ambos estén en un estado incierto, pero sus estados estén perfectamente correlacionados. Por ejemplo, si Alice y Bob comparten un par de átomos entrelazados y ella mide el suyo y encuentra que está en el estado 1, entonces sabrá con seguridad que Bob encontrará un estado 1 también en el suyo, incluso antes de que él lo mida.
Obviamente, Alice y Bob pueden generar una clave aleatoria compartida simplemente entrelazando y midiendo sus átomos una y otra vez. Es clave señalar que, si el entrelazamiento puede extenderse a un tercer átomo que tiene Charlotte, entonces Alice y Charlotte pueden compartir la clave. En tal caso, si Eve trata de detectar la clave midiendo el átomo de Bob, deshará las correlaciones entre los átomos de Alice y Charlotte de una forma que les revelará su presencia, haciendo inatacable una verdadera red cuántica, al menos en principio.
Pero primero, los físicos deben entrelazar átomos muy distantes. Ahora, Stephan Ritter del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, y sus colegas han hecho justamente esto, entrelazar dos átomos en laboratorios distintos en lados opuestos de una calle, según se informa en Nature.
Esto puede sonar a que es algo simple, pero los investigadores necesitaron una sala de laboratorio llena de láseres, elementos ópticos, y otros equipos en cada nodo. Cada átomo se situó entre dos espejos altamente reflectantes separados 0,5 mm, lo cual formó una “cavidad óptica”. Aplicando un láser externo al átomo A, el equipo de Ritter provocó que un fotón emitido por dicho átomo escapase de la cavidad y viajase a través de una fibra óptica de 60 metros hasta la cavidad en el otro extremo de la calle. Cuando el fotón fue absorbido por el átomo B, la información cuántica original del primer átomo se transfirió al segundo. Empezando con el estado adecuado en el primer átomo, los investigadores pudieron entrelazar ambos. De acuerdo con los investigadores, el entrelazamiento podría, en principio, extenderse a un tercer átomo, lo que hace que el sistema sea escalable a más de dos nodos.
“Cada paso fundamental tenía que darse en el momento justo para que funcionase”, dice Ritter, que trabaja en el grupo de Gerhard Rempe. “Tomemos, por ejemplo, la cavidad óptica. Todos los físicos están de acuerdo en que los átomos y fotones son un gran material para construir una red cuántica, pero en el espacio libre apenas interactúan. Tuvimos que desarrollar una cavidad para eso”.
“Este es un avance muy importante”, dice Shields, de Toshiba, debido a que nos permitirá compartir claves cuánticas en redes donde los nodos intermedios pueden no ser de confianza y podría también llevar a protocolos de comunicación multipartita complejos basados en entrelazamiento distribuido. “Sin embargo”, advierte Shields, “aún hay mucho trabajo por hacer antes de que la tecnología sea práctica”. La miniaturización de los componentes que constituyen un nodo estarán sin duda en la lista de peticiones de los investigadores.
Autor: Jim Heirbaut
Fecha Original: 11 de abril de 2012
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