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CIENCIA. ¿Qué son las redes cuánticas?

 

Imagen cortesía de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE).

Internet hoy nos conecta globalmente. Envía paquetes de información que transportan nuestras comunicaciones en señales clásicas, enviadas por ráfagas de luz a través de fibras ópticas, eléctricamente a través de cables de cobre o por microondas para hacer conexiones inalámbricas. Es rápido y confiable. Entonces, ¿por qué desarrollar una Internet cuántica que utilice fotones individuales, el cuanto de luz más pequeño posible, para transportar información?

Porque hay nuevos dominios científicos por explorar. La física cuántica gobierna el dominio de lo muy pequeño. Nos permite comprender, y utilizar a nuestro favor, fenómenos cuánticos únicos para los que no existe una contraparte clásica. Podemos utilizar los principios de la física cuántica para diseñar sensores que realicen mediciones más precisas, computadoras que simulen procesos físicos más complejos y redes de comunicación que interconecten de forma segura estos dispositivos y creen nuevas oportunidades para el descubrimiento científico.

Las redes cuánticas utilizan las propiedades cuánticas de los fotones para codificar información. Por ejemplo, los fotones polarizados en una dirección (por ejemplo, en la dirección que les permitiría pasar a través de gafas de sol polarizadas) están asociados con el valor; uno, los fotones polarizados en la dirección opuesta (para que no atraviesen las gafas de sol) están asociados con el valor cero. Los investigadores están desarrollando protocolos de comunicación cuántica para formalizar estas asociaciones, permitiendo que el estado cuántico de los fotones lleve información del remitente al receptor a través de una red cuántica.

Las redes cuánticas utilizan fenómenos cuánticos de forma única, como la superposición, la no clonación y el entrelazamiento, que no están disponibles para las redes clásicas. Antes de que se mida el fotón, existe en una superposición de todos sus posibles estados cuánticos, cada uno con una probabilidad correspondiente. La medición selecciona uno entre estos estados. De hecho, el estado cuántico del fotón no se puede medir sin causar una perturbación que delate el intento. Tampoco se puede copiar un estado cuántico desconocido y arbitrario; no se permite la clonación. Una red cuántica correctamente diseñada y operada deriva seguridad inherente de este comportamiento.

Pero si el fotón no se puede copiar, ¿cómo se puede amplificar la comunicación para llegar a destinatarios distantes? Aquí es donde entra en escena el fenómeno cuántico del entrelazamientoEl estado cuántico de cada fotón entrelazado se correlaciona con el de sus compañeros entrelazados, independientemente de su distancia. Se están desarrollando repetidores de redes cuánticas que utilizan el entrelazamiento para ampliar el rango de redes cuánticas.

¿La Internet cuántica emergente hará que la Internet clásica de hoy sea obsoleta? Para nada. Las fortalezas de las redes cuánticas son complementarias a las de las redes clásicas. Obtendremos el mayor beneficio a largo plazo al incorporar redes clásicas y cuánticas en una Internet con capacidades que superan lo que es posible con cualquiera de las dos tecnologías por sí solas.

Más información: DOE Office of Science. DOE Quantum Internet Blueprint Workshop (2020).


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