La Internet cuántica puede ser el comienzo de redes no binarias ultraseguras

Hoy en día, la Internet convencional genera un flujo coherente de fotones que viajan por un cable de fibra óptica, llevando un uno lógico o un cero en algún lugar alrededor del ochenta por ciento de la velocidad de la luz. Mañana, un par de fotones entrelazados, cada uno llamado qubits, son uno y cero (superposición) y envían datos en un tiempo casi instantáneo. Eso es "internet cuántico".

El sistema cuántico utilizado por la Universidad de Delft para conectar a los "usuarios" en un entorno de red "ultraseguro". Imagen utilizada por cortesía de Nature.

La llamada Internet cuántica intercambia información maximizando la coordinación y el entrelazamiento e interrogando el estado del qubit. Esta Internet de próxima generación se describe como "ultrasegura" debido a la naturaleza del entrelazamiento en sí. Una vez que están completamente enredados, los qubits no pueden ser leídos por ningún tercero que intente espiar un canal de comunicación.
Pero así como existen muchos obstáculos para hacer realidad las computadoras cuánticas, las instituciones de investigación de todo el mundo se enfrentan a muchos obstáculos para dar vida a la Internet cuántica.

Desafíos de un canal de Internet cuántico

Al considerar las múltiples aplicaciones de las computadoras cuánticas, la sincronicidad y la privacidad son las principales preocupaciones. Cualquier aplicación que requiera la alineación del tiempo, como las comunicaciones de satélite a tierra, se beneficiará de la máxima coordinación. En términos más simples, la máxima coordinación permite que las dos computadoras entrelazadas conozcan la referencia de estado exacta de la otra.
Sin embargo, existen varios desafíos asociados con esta tecnología, que incluyen:
Enredo en distancias superiores a unos pocos cientos de kilómetros
Vincular a más de dos usuarios juntos en una red mientras se mantiene el enredo
Mantener un control coherente de fotones individuales
Desarrollar el hardware para facilitar realmente las redes cuánticas
Los últimos tres de estos obstáculos han sido abordados recientemente por investigadores de tres universidades: la Universidad de Delft (Países Bajos), la Universidad de Cambridge y la Universidad de Purdue, respectivamente.

Una red cuántica de tres unidades

En la Universidad Tecnológica de Delft, Países Bajos, los investigadores han creado con éxito una red entrelazada de tres vías entre tres "usuarios" incorporando un par entrelazado en un elemento de "memoria".

La investigación en la Universidad de Delft creó un entrelazamiento de tres partes utilizando un átomo de nitrógeno dentro de una estructura de cristal sintético para crear un recuerdo del primer entrelazamiento. Imagen utilizada por cortesía de Nature.

El qubit se almacena dentro de un medio físico hasta por un minuto. Esta red precursora tiene el potencial de permitir el intercambio de datos entre tres usuarios en un entorno ultraseguro garantizado por las leyes de la mecánica cuántica.

Controlar un solo electrón en la nube

Controlar el estado o destino de un solo fotón es una tarea abrumadora. Esto es especialmente cierto cuando el fotón se libera en lo "salvaje", una red física.
Investigadores de la Universidad de Cambridge han podido dirigir el estado de un punto cuántico en la "nube" mediante el uso de un láser para comunicarse con un electrón que se ha insertado en la estructura cuántica. Esto pone orden en el caos de partículas que deambulan libremente porque los núcleos se desplazan en respuesta al electrón excitado.

El esquema del modulador láser utilizado para inducir un "caos ordenado" en los 100.000 núcleos controlando el giro de un solo electrón en la nube. Imagen utilizada por cortesía de Nature.

"No tenemos una forma de 'hablar' con la nube y la nube no tiene una forma de hablar con nosotros", dice Mete Atature, investigador principal del Laboratorio Cavendish de Cambridge. "Pero con lo que podemos hablar es un electrón: podemos comunicarnos con él como un perro que pastorea ovejas ".

Un conmutador de hardware preparado para Quantum

Otro problema con Internet cuántica es alojar a varios usuarios en una red cuántica con diferentes requisitos de ancho de banda que comparten un canal cuántico. Los investigadores de la Universidad de Purdue están tratando de abordar este problema variando la asignación de frecuencia de los usuarios para alterar la tasa de enredo entre los usuarios.
También han "flexionado la cuadrícula" de la red, al igual que las redes de hoy para asignar ancho de banda adicional cuando sea necesario, por ejemplo, para la transmisión de medios futuros.

El conmutador de red de ancho de banda adaptable permite que varios usuarios compartan canales ópticos con distintos segmentos de frecuencia y ancho de banda total utilizado. Imagen utilizada por cortesía de OSA Publishing

"Mostramos una manera de hacer el enrutamiento de longitud de onda con una sola pieza de equipo, un conmutador selectivo de longitud de onda, para, en principio, construir una red de 12 a 20 usuarios, tal vez incluso más", dijo Andrew Weiner, profesor de ECE en Purdue. .

Un protocolo para First Quantum Network

Investigadores del Instituto Kavli de Nanociencia de la Universidad Tecnológica de Delft están abordando las primeras preguntas sobre cómo sería un protocolo de red cuántica.

Una pila de red cuántica se ejecutaría en paralelo a las redes clásicas, extendiendo la funcionalidad de las redes existentes con criptografía y sincronización mejoradas. Imagen utilizada por cortesía de Arxiv

Para abordar los problemas de la decoherencia de fotones y la fidelidad de la señal, los investigadores investigaron el concepto de un repetidor en algún punto de la red. Los ingenieros familiarizados con las dificultades de enviar datos PCIe a altas velocidades habrán experimentado la decoherencia de datos.

Un repetidor cuántico conceptual, que supera el teorema de no clon al intercambiar estados de entrelazamiento a mitad de camino. Imagen utilizada por cortesía de Arxiv

Un repetidor electrónico tradicional muestrea los datos entrantes, los amplifica y retransmite una copia de esos datos binarios al siguiente nodo de la red. Esto funciona bien para los datos transmitidos en medios tradicionales. Sin embargo, es diferente para las partículas cuánticas.
Al realizar un intercambio de entrelazamiento en un repetidor, el estado de los fotones se puede mantener sin la pérdida de datos y sin tener que clonar los datos, lo que es imposible en el dominio cuántico.

La pila de red propuesta es capaz de realizar comunicaciones cuánticas. Imagen utilizada por cortesía de Arxiv

El objetivo final de toda esta investigación es enviar qubits de manera confiable a largas distancias con alta fidelidad, creando así una red local.

El siguiente paso en el avance de las redes cuánticas

El siguiente paso de la investigación es descifrar el estado de un solo fotón en una "nube" de fotones que viajan a lo largo de la red antes de procesarlo a través de un dispositivo de conmutación para garantizar que llegue a su destino.
Pueden pasar algunos años más antes de que la primera red cuántica distribuida entre en línea. Curiosamente, cuando eso sucede, se podría argumentar que el sistema está en línea y fuera de línea al mismo tiempo.

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