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Los ingredientes del futuro internet cuántico ya están aquí

El reto de construir una red que permita enviar mensajes cuánticos de un punto a otro del planeta está aún lejos de nuestro alcance. Pero este año ha marcado dos hitos importantes para conseguirlo.

Fotografía de la Red DARPA, la primera red capaz de hacer distribución cuántica de claves. Conectaba las ciudades de Boston y Cambridge en Massachusetts, y estuvo en funcionamiento desde 2003 hasta 2007.
Fotografía de la Red DARPA, la primera red capaz de hacer distribución cuántica de claves. Conectaba las ciudades de Boston y Cambridge en Massachusetts, y estuvo en funcionamiento desde 2003 hasta 2007.DaderotCreative Commons
  • Patricia Contreras Tejada
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Si los correos electrónicos, el WhatsApp o los videojuegos en línea ya ocupaban un lugar importante en nuestras vidas, la pandemia de la covid ha acusado todavía más nuestra dependencia de internet. Poder conectarnos con cualquier otro punto del planeta a través de nuestro ordenador ha resultado indispensable para continuar con nuestros trabajos, mantener el contacto con nuestros seres queridos, incluso para desarrollar vacunas con las que atajar la propia crisis sanitaria. En plena pandemia, varios equipos de investigación han dado pasos decisivos para alcanzar el siguiente nivel en las telecomunicaciones: el internet cuántico.

Una red muy confidencial y muy potente

El internet que conocemos es, en esencia, una grandísima red de ordenadores entre los cuales se transmite información. Esta información está codificada en bits (ceros y unos), que recorren largas distancias gracias al uso de repetidores. Para hacerlo cuántico, la red tiene que poder transmitir información codificada en qubits, las famosas partículas que pueden ser cero y uno a la vez. Así, el propósito fundamental del internet cuántico es enviar qubits entre cualesquiera dos puntos del planeta.

Más allá del interés científico de esta proeza, esta nueva red tendrá multitud de aplicaciones prácticas. La confidencialidad de la información transmitida estará garantizada y no será vulnerable a hackers, se podrán sincronizar relojes de manera mucho más precisa que actualmente, e incluso se podrán conectar ordenadores cuánticos entre sí para formar un superordenador cuántico. Así, podríamos hallar solución en un tiempo razonable para algunos de los problemas que hoy en día son difíciles de resolver hasta para los superordenadores más potentes.

La clave para que el internet cuántico funcione está en el entrelazamiento cuántico. Esta es una propiedad que solo tienen las partículas muy pequeñas. Propiedad que es intrínsecamente privada: las leyes de la mecánica cuántica dictan que dos partículas entrelazadas máximamente no pueden estarlo con ninguna partícula más en todo el universo. Además, el entrelazamiento es seña de coordinación. Observando solo una de las partículas, conocemos el estado de la otra, independientemente de la distancia que las separe. Esta coordinación es la que aporta ventajas a la hora de sincronizar relojes o enviar mensajes entre ordenadores.

Tres logros recientes

Sin embargo, el entrelazamiento se pierde con facilidad en cuanto hay ruido, temperaturas que no son extremadamente frías o cualquier otra interferencia. Mantener las partículas en este ambiente tan controlado se hace tanto más difícil cuanto más separadas están: a nivel práctico, la distancia sí importa. Hasta 2017, la mejor marca estaba en 100 kilómetros. Fue entonces cuando un equipo de investigación de varias universidades chinas pulverizó este récord, consiguiendo entrelazar fotones (partículas de luz) a 1.200 kilómetros de distancia utilizando el primer satélite cuántico.

Para transmitir mensajes cuánticos de ciudad a ciudad, no valen fotones cualesquiera, sino que su longitud de onda tiene que ser compatible con las fibras ópticas que se usan en el internet de hoy. Esta restricción dificulta la tarea de conseguir entrelazamiento a largas distancias. Pero los fotones viajeros podrían hacer un alto en el camino: el futuro del internet cuántico pasa por construir una red donde estas partículas puedan saltar de punto a punto, manteniendo el entrelazamiento. En cada uno de estos puntos debe haber una memoria cuántica que almacene el fotón durante el tiempo suficiente para permitirle dar el siguiente salto.

Las primeras memorias cuánticas entrelazadas se construyeron en el ICFO, en Barcelona, en junio de 2021. El equipo que las hizo posible demostró así que los repetidores cuánticos serán una realidad. Construyeron una pareja de memorias cuánticas capaces de almacenar fotones durante apenas 25 millonésimas de segundo. Gracias al entrelazamiento, consiguieron almacenar un único fotón entre las dos memorias, que estaban a diez metros de distancia. Puede parecer una separación nimia con respecto a los más de mil kilómetros en China, pero este experimento supone todo un hito en la carrera hacia una red de repetidores cuánticos. Estos fotones se pudieron almacenar en las memorias de hasta 60 maneras diferentes, y sí eran compatibles con las fibras ópticas actuales. Así, constituyen ingredientes más realistas del internet cuántico.

Los Países Bajos han aportado otra pieza a este puzle. En abril de 2021, un equipo de QuTech erigió la primera red cuántica de varios nodos. Los nodos eran tres, dos externos y uno externo. Entrelazando primero cada nodo externo con el interno, y manipulando después el nodo interno, el equipo consiguió establecer entrelazamiento entre los dos nodos externos. Logró también dotar al nodo central de una memoria cuántica. El éxito en estos protocolos nunca está asegurado, pero se incorporó un sistema para que la red anunciara si el entrelazamiento se había establecido correctamente. Esto es crítico para la utilidad práctica de las redes cuánticas, donde se necesitará concatenar varios protocolos como este para conectar muchos más nodos.

Hacia una red cuántica realmente útil

Los fotones holandeses todavía no tienen la longitud de onda adecuada para ser compatibles con las infraestructuras actuales, aunque en QuTech ya están trabajando para lograrlo. El próximo reto será formar una red de más nodos que estén más separados, y en la que cada nodo tenga más qubits, para así poder transmitir más información en redes cada vez mayores.

Este es el objetivo de la Alianza de Internet Cuántico, financiada por la Unión Europea y que participa en QuTech. El Departamento de Energía de Estados Unidos también ha entrado a competir en esta liga, presentando su estrategia para desarrollar un internet cuántico a nivel nacional en julio de 2020. Por muy atractivas que sean sus aplicaciones, no se pretende que este nuevo internet sustituya al actual, sino que, al menos inicialmente, será un complemento de ámbito especializado. Claro está que, con el tiempo, surgirán nuevos usos. Solo esperemos que no necesitemos otra pandemia para imaginarlos.

QUE NO TE LA CUELEN:

  • Un futuro superordenador cuántico no será capaz de resolver cualquier problema en tiempo razonable. Solo hay ciertos cálculos donde la cuántica puede aportar ventajas, y definir problemas de este tipo que además sean útiles es objeto de investigación actual.

REFERENCIAS (MLA):

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