Las aplicaciones potenciales de la física cuántica en el ámbito de la tecnología son asombrosas. Durante la última década la computación cuántica ha dejado de ser una disciplina de interés únicamente para las universidades y los centros de investigación para pasar a consolidarse como una apuesta muy sólida para las empresas y los Gobiernos de los países más desarrollados.
No obstante, los ordenadores cuánticos no son los únicos ideados para sacar partido a las sorprendentes propiedades que exhibe ante nosotros la mecánica cuántica; las comunicaciones también pueden aprovecharlas. Y esta posibilidad abre de par en par la puerta al despliegue de una infraestructura de comunicaciones cuánticas a gran escala. De hecho, ya está en marcha. Los cimientos de la internet cuántica se están afianzando en este momento.
Estas son las dos grandes promesas de la internet cuántica
China es uno de los países que más recursos está dedicando al desarrollo de las comunicaciones cuánticas. En junio de 2020 unos investigadores de este estado asiático consiguieron transmitir un mensaje cifrado imposible de vulnerar entre dos estaciones terrestres separadas por una distancia de 1.120 kilómetros.
Este es uno de los mayores hitos alcanzados hasta ahora en este ámbito, pero no es en absoluto el único. De hecho, hace poco más de un mes un segundo grupo de científicos chinos logró llevar a cabo una comunicación cuántica segura y directa (QSDC) a 102,2 km de distancia. Estos experimentos persiguen desarrollar la tecnología necesaria para hacer viables las comunicaciones cuánticas a larga distancia, y son uno de los pilares de la internet cuántica.
En julio de 2020 el DOE (Departamento de Energía de Estados Unidos) hizo pública su estrategia para propiciar el desarrollo de las tecnologías que son necesarias para desplegar una internet cuántica. Y de la mano de este anuncio llegó también el compromiso firme de invertir inicialmente 625 millones de dólares en este proyecto.
China y Estados Unidos son las dos grandes potencias que están dedicando más recursos al desarrollo de las comunicaciones cuánticas, pero, como veremos más adelante, Europa también está contribuyendo a esta disciplina con avances muy significativos. En cualquier caso, y esto es lo realmente importante, ¿qué nos promete esta concepción cuántica de internet?
Desplegar una infraestructura de comunicaciones cuánticas con cobertura mundial y un alcance equiparable al de la red internet que utilizamos actualmente nos permitirá transferir grandes volúmenes de información de una manera esencialmente instantánea. Además, la transmisión de los datos se llevará a cabo de una forma inherentemente segura debido a que el entrelazamiento entre los nodos involucrados en la comunicación se rompe si esta se ve vulnerada de alguna forma. Incluso si, sencillamente, alguien la observa.
Ambas promesas suenan muy bien, pero lo más prudente es que moderemos nuestro probable entusiasmo inicial debido a una razón de peso: la internet cuántica no está destinada a reemplazar a la internet que utilizamos actualmente. Todavía queda mucho por hacer para que sea viable, pero cuando llegue, y tenemos razones fundadas para prever que llegará, convivirá con la internet con la que todos estamos familiarizados de igual forma que los ordenadores cuánticos están llamados a convivir en perfecta armonía con los superordenadores clásicos.
Esta reflexión nos invita a preguntarnos en qué aplicaciones tiene sentido recurrir a una concepción cuántica de internet, y la respuesta emerge por sí sola de las dos propiedades de esta red en las que acabamos de indagar: su capacidad de transferir grandes volúmenes de datos de forma instantánea y la invulnerabilidad inherente de las comunicaciones cuánticas.
Los expertos prevén que la internet cuántica se empleará para efectuar transacciones cuya seguridad debe estar garantizada, para enviar mensajes que no deben ser vulnerados bajo ningún concepto, para intercambiar grandes volúmenes de información, y también para interconectar a gran distancia ordenadores cuánticos involucrados en un mismo proyecto de carácter técnico o científico. No obstante, es probable que a medida que se vaya desarrollando esta tecnología a los investigadores se les ocurran más aplicaciones prácticas.
Los dos pilares de la internet cuántica: la superposición y el entrelazamiento
Antes de seguir adelante nos interesa detenernos un momento para repasar en qué consisten las dos propiedades de la mecánica cuántica sobre las que se erigen tanto los prototipos de ordenadores cuánticos que tenemos actualmente como la internet cuántica, sobre la que presumiblemente se efectuarán las comunicaciones entre computadores cuánticos. Vamos primero con la superposición de estados.
El entrelazamiento no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo
En un ordenador clásico la cantidad de información que podemos codificar en un estado concreto utilizando n bits tiene tamaño n, pero en un procesador cuántico de n cúbits un estado concreto de la máquina es una combinación de todas las posibles colecciones de n unos y ceros.
Cada una de esas posibles colecciones tiene una probabilidad que nos indica, de alguna forma, cuánto de esa colección en particular hay en el estado interno de la máquina, que está determinado por la combinación de todas las posibles colecciones en una proporción concreta indicada por la probabilidad de cada una de ellas.
Si en un ordenador cuántico pasamos de trabajar con n cúbits a hacerlo con n+1 cúbits estaremos duplicando la información que almacena el estado interno de la máquina, que pasará de 2^n a 2^(n+1).
Esta idea es algo compleja, pero podemos intuirla si aceptamos el principio de superposición cuántica y la posibilidad de que el estado de un objeto sea el resultado de la ocurrencia simultánea de varias opciones con distinta probabilidad. Una consecuencia muy importante de esta propiedad de los ordenadores cuánticos es que la cantidad de información que contiene un estado concreto de la máquina tiene tamaño 2^n, y no n, como en los ordenadores clásicos.
Esta diferencia es esencial y explica el potencial de la computación cuántica, pero también puede ayudarnos a intuir su complejidad. Si en un ordenador clásico pasamos de trabajar con n bits a hacerlo con n+1 bits estaremos incrementando la información que almacena el estado interno de la máquina en un único bit.
Sin embargo, si en un ordenador cuántico pasamos de trabajar con n cúbits a hacerlo con n+1 cúbits estaremos duplicando la información que almacena el estado interno de la máquina, que pasará de 2^n a 2^(n+1). Esto significa, sencillamente, que el incremento de la capacidad de un ordenador clásico a medida que introducimos más bits es lineal, mientras que el de un ordenador cuántico a medida que incrementamos el número de cúbits es exponencial.
Vamos ahora con el otro fenómeno cuántico: el entrelazamiento. Esta propiedad no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo. Esto significa que estos objetos, en realidad, forman parte de un mismo sistema incluso aunque estén separados físicamente. De hecho, la distancia no importa.
Si varias partículas, objetos o sistemas están entrelazados mediante este fenómeno cuántico, cuando midamos las propiedades físicas de uno de ellos estaremos condicionando instantáneamente las propiedades físicas de los otros sistemas con los que está entrelazado. Incluso aunque estén en la otra punta del universo. Suena a ciencia ficción, es verdad, pero por muy extraño y sorprendente que nos parezca este fenómeno se ha comprobado empíricamente muchas veces.
La teleportación cuántica nos coloca más cerca de la internet cuántica
Unos párrafos más arriba he mencionado que Europa también está realizando contribuciones importantes al desarrollo de las comunicaciones cuánticas, y uno de los centros de investigación que más está innovando en esta área es la Universidad Técnica de Delft, en Países Bajos. Precisamente hace unas horas un equipo científico de esta institución ha publicado un artículo en Nature en el que describe el procedimiento que ha utilizado para llevar a cabo un experimento de teleportación cuántica entre nodos no adyacentes.
Una versión cuántica de internet debe necesariamente permitir que se comuniquen equipos independientes y geográficamente alejados
Parece complicado, y lo es, pero entender en qué ha consistido este experimento, qué persigue y qué han logrado estos investigadores no es difícil si sorteamos los detalles técnicos más enrevesados. Hasta ahora en los experimentos de comunicaciones cuánticas estaban involucrados solo dos nodos (cada uno de los sistemas cuánticos que transmite o recibe la información es un nodo), o bien si se empleaban más de dos estaban físicamente interconectados.
El problema es que si pretendemos extender este tipo de comunicaciones a un nivel mucho más amplio es imprescindible involucrar más nodos, y que, además, algunos de ellos estén físicamente desconectados de los demás y constituyan por sí mismos un sistema cuántico independiente. Si lo pensamos bien estas son, precisamente, algunas de las propiedades que tiene la internet que estamos utilizando, y una versión cuántica de esta red debe necesariamente permitir que se comuniquen equipos independientes y geográficamente alejados, y no solo aquellos que forman parte de una única vecindad.
En esta fotografía tomada con un microscopio óptico podemos ver las estructuras de oro alojadas sobre la superficie de un diamante gracias a las que los científicos han conseguido controlar el comportamiento del procesador cuántico.
En el experimento que han llevado a cabo estos científicos de la Universidad Técnica de Delft han participado los tres nodos que conforman una red cuántica para investigación muy rudimentaria, y cada uno de ellos es un pequeño procesador cuántico. Su propósito era intercambiar cúbits, y una forma de hacerlo consiste en enviar la información cuántica de un nodo a otro utilizando enlaces de fibra óptica. El problema es que en el ámbito de las comunicaciones cuánticas si se pierde un solo fotón la transferencia de la información ya no es viable, y evitar que se produzca este fenómeno cuando la distancia que separa los nodos es importante es muy difícil.
Afortunadamente, hay otras estrategias que también nos permiten enfrentarnos a este desafío. La que han implementado estos científicos se conoce como teleportación cuántica, y consigue sortear la pérdida de fotones y la consiguiente imposibilidad de recuperar la información cuántica en el destino consiguiendo que el cúbit que va a ser enviado desaparezca del nodo origen y aparezca súbitamente en el nodo que debe recibirlo. Como podemos intuir, es un proceso muy similar al teletransporte que vemos en algunas películas de ciencia ficción, de ahí su nombre.
Una de las razones por las que este experimento es muy relevante es que el nodo que ha enviado el cúbit y el que lo ha recibido no son adyacentes, por lo que esta sencilla red se parece más a la idea que tenemos de una red heterogénea que las otras redes cuánticas con las que se ha experimentado hasta ahora. Eso sí, para hacer posible la comunicación cuántica estos técnicos se han visto obligados a entrelazar los nodos emisor y receptor, a elaborar un procedimiento fiable de lectura de los cúbits, y, por último, también se las han ingeniado para ser capaces de almacenar temporalmente los bits cuánticos.
Este es el aspecto que tiene uno de los nodos que intervienen en la red cuántica. Los dos investigadores que vemos en la fotografía están ajustando los espejos y los láseres que hacen posibles el entrelazamiento y la transmisión de la información cuántica.
En otros experimentos habían conseguido teleportar cúbits entre dos nodos adyacentes, pero esta es la primera vez que tienen éxito empleando una red de tres nodos en la que al menos dos de ellos no son adyacentes. El tercer nodo de esta red cuántica ha actuado como intermediario porque es el único que está físicamente conectado a los otros dos. De hecho, el nodo que envía el cúbit está entrelazado con el que lo recibe, pero no hay ningún tipo de conexión física directa entre ellos.
El tercer nodo de esta red cuántica ha actuado como intermediario porque es el único que está físicamente conectado a los otros dos
Además, el tercer nodo, el intermediario, está entrelazado inicialmente con el nodo que va a recibir el cúbit, y posteriormente se entrelaza también con el nodo que lo transmite. De hecho, y esto es lo realmente importante, esta cadena de entrelazamientos consecutiva es la que hace posible el entrelazamiento final entre el nodo que emite el cúbit y el que lo recibe. Y una vez que el entrelazamiento cuántico que vincula dos nodos entre los que no existe ninguna conexión física se ha efectuado gracias a la mediación de un tercer nodo la teleportación de información cuántica entre los dos primeros es posible.
Aún queda mucho por hacer para escalar este hallazgo a redes cuánticas más grandes y complejas que puedan ceder el testigo a una auténtica internet cuántica, pero el paso que han dado estos investigadores es sin duda muy importante. No obstante, todavía nos queda un cabo suelto: ¿cómo se entrelazan dos nodos o procesadores cuánticos? El procedimiento que han empleado estos científicos es muy complejo, pero podemos intuir de qué se trata si solo indagamos superficialmente en el mecanismo que proponen, que, por otra parte, se ha utilizado en muchos otros experimentos de teleportación cuántica.
Muy a grandes rasgos lo que hacen es inicializar los nodos que van a intervenir en la comunicación cuántica excitando los procesadores cuánticos con un haz láser para colocarlos en un estado de superposición. Una vez que han efectuado esta operación el estado interno de cada cúbit se entrelaza con un fotón, de modo que la detección de un único fotón en uno de los puertos de salida de los procesadores cuánticos que intervienen en la comunicación refleja que ambos están entrelazados.
Todo esto funciona. Por misterioso o esotérico que nos parezca. Y dibuja delante de nosotros un futuro muy emocionante
Es un procedimiento complejo y no es fácil entender de una forma plena cómo funciona si no indagamos con mucha más profundidad en todos los mecanismos cuánticos que están involucrados. En cualquier caso, lo importante es que intuyamos que el entrelazamiento se efectúa actuando sobre las propiedades físicas de una partícula, el fotón, que ejerce como mediadora en el proceso de comunicación cuántica.
Esto explica por qué en estos experimentos habitualmente están involucrados láseres. No obstante, lo realmente importante es que todo esto funciona. Por misterioso o esotérico que nos parezca. Y dibuja delante de nosotros un futuro muy emocionante en el que la física cuántica reclama el protagonismo.
Imagen de portada: Xataka con Midjourney
Más información: Nature
Ver 7 comentarios