El internet cuántico, explicado

El Departamento de Energía de EE. UU. (DoE) ha publicado recientemente la primera hoja de ruta para la creación de una red de Internet cuántico, detallando su estrategia paso a paso. Su principal objetivo es garantizar total seguridad frente a ataques informáticos. Según el propio DoE, llevar a cabo este proyecto “supondría una metamorfosis integral de la manera en que vivimos”. El proyecto recibirá una dotación estimada en unos 625 millones de dólares en fondos federales.

El Internet cuántico haría posible transmitir grandes volúmenes de datos a gran distancia a velocidades superiores a la de la luz. Uno puede imaginarse la cantidad de aplicaciones que se beneficiarían de este nivel de velocidad.

La informática tradicional codifica los datos utilizando ceros y unos. En la información cuántica estos ceros y unos se superponen simultáneamente. Para desarrollar la infraestructura del Internet cuántico hará falta que académicos, investigadores y profesionales de diversos campos tecnológicos sean capaces de construir los dispositivos cuánticos necesarios, como routers, repetidores, ‘gateways’ y ‘hubs’, entre otros. Nacerá un sector completamente nuevo, basado en la idea de que el Internet cuántico coexistirá con el ecosistema actual de empresas que tenemos en el Internet actual.

El ‘Internet tradicional’, esto es, Internet tal y como lo conocemos hoy por hoy, seguiría existiendo. En principio, el uso del internet cuántico estará reservado a grandes organizaciones con necesidades de maximizar la seguridad de sus datos, mientras que el consumidor particular seguirá utilizando el internet clásica. [1]

Según los expertos, el sector financiero se beneficiará del internet cuántico en tanto permitirá reforzar la seguridad de las transacciones online. También cabe esperar que los sectores de la salud y el sector público se vean beneficiados. Además de ofrecer una experiencia de Internet más rápida y segura, la computación cuántica permitirá a las organizaciones mejorar en la resolución de problemas complejos, como la gestión de la cadena de suministro. Además, acelerará el intercambio de grandes volúmenes de datos y la ejecución de experimentos de detección a gran escala en astronomía, descubrimiento de materiales y ciencias de la vida[1][2]

Pero primero vamos a explicar algunos de los términos básicos del mundo cuántico: La computación cuántica es una rama de estudio cuyo objeto es desarrollar tecnología informática a partir de los principios de la teoría cuántica. Según las leyes de la física cuántica, la capacidad de procesamiento de los ordenadores cuánticos se deriva de su capacidad de estar en estados múltiples y realizar tareas utilizando todas las permutaciones posibles de manera simultánea.

Una comparativa entre la computación clásica y la cuántica

La computación clásica se basa, en última instancia, en los principios del álgebra booleana. Los datos deben procesarse en un estado binario exclusivo en cualquier momento o bits. Aunque el tiempo que cada transistor o condensador necesita estar en 0 o 1 antes de cambiar de estado se puede medir en mil millonésimas de segundo, la rapidez con la que se puede hacer que estos dispositivos cambien de estado sigue estando limitada. A medida que se avanza en diseños más pequeños y rápidos, se comienzan a alcanzar los límites físicos de los materiales de los circuitos y el umbral hasta el que aplican las leyes clásicas de la física. A partir de ahí, entramos en el mundo cuántico.

En un ordenador cuántico, se puede utilizar la carga o polaridad de partículas elementales – como electrones o fotones – para representar los ceros y/o los unos. Cada una de estas partículas se conoce como un bit cuántico, o ‘qubit’. La naturaleza y el comportamiento de estas partículas forman la base de la computación cuántica.

Superposición cuántica y entrelazamiento

Los dos fenómenos clave de la física cuántica son los de la superposición y el entrelazamiento.

• Superposición: Consideremos un qubit como un electrón dentro de un campo magnético. El giro del electrón puede estar alineado con el campo (estado giratorio hacia arriba, o spin-up), u opuesto a dicho campo (estado de giro hacia abajo, o spin-down). Según la teoría cuántica, la partícula entra en una superposición de estados, en la que se comporta como si estuviera en ambos estados simultáneamente. Cada qubit utilizado podría adoptar los valores de 0 y 1 superpuestos.
• Entrelazamiento: Las partículas que hayan interactuado en algún momento retienen un tipo de conexión y pueden entrelazarse formando pares, un proceso que se conoce como correlación. Dos partículas entrelazadas giran en sentido contrario, por lo que conociendo en qué dirección gira una se puede saber en qué dirección gira la otra. El entrelazamiento cuántico permite a qubits separados por distancias increíbles interactúen instantáneamente entre sí (sin estar limitados por la velocidad de la luz). Independientemente de la distancia entre las partículas correlacionadas, permanecen entrelazadas en tanto permanezcan aisladas.

La combinación de los fenómenos de superposición cuántica y entrelazamiento cuántico permite multiplicar exponencialmente la capacidad de procesamiento. Mientras que un registro de 2 bits en un ordenador normal sólo es capaz de almacenar una de las cuatro configuraciones binarias (00, 01, 10 u 11) en un determinado momento, un registro de 2 bits en un ordenador cuántico puede almacenar los cuatro números simultáneamente, porque cada qubit representa dos valores. Agregando más qubits, la capacidad se incrementa de manera exponencial.

¿El internet cuántico?

El internet cuántico es una red que permitirá a dispositivos cuánticos intercambiar información en un entorno que aprovecha las leyes de la mecánica cuántica. En teoría, el internet cuántico tendría una capacidad nunca vista, con niveles de funcionamiento inalcanzables para las aplicaciones web actuales. [2]

En el mundo cuántico, los datos se pueden codificar en el estado de los qubits, que pueden crearse utilizando dispositivos cuánticos, como, por ejemplo computadoras cuánticas o procesadores cuánticos. Y el internet cuántico, en términos sencillos, implicaría la transmisión de qubits a través de una red de dispositivos cuánticos separados físicamente. Fundamentalmente, todo esto sería posible gracias a las extrañas propiedades que caracterizan a los estados cuánticos. [2]

Aunque esto suene parecido a lo que sucede en el Internet estándar, la transmisión de qubits a través de un canal cuántico, en lugar de uno clásico, implica, efectivamente, aprovechar el comportamiento de las partículas en su escala más pequeña – los llamados ‘estados cuánticos’.[2]

Naturalmente, los qubits no pueden utilizarse para transmitir los tipos de datos a los que estamos acostumbrados, como correos electrónicos y mensajes de WhatsApp. Pero el extraño comportamiento de los qubits ofrece enormes posibilidades para desarrollar otras aplicaciones más específicas. [2]

Comunicaciones cuánticas

Una de los campos más prometedores que los investigadores, armados con qubits, están explorando, el de la seguridad en las comunicaciones.[2]

La seguridad cuántica nos remite al concepto de la criptografía cuántica, una disciplina que parte de fundamentos de la física para desarrollar un sistema de cifrado completamente seguro e inexpugnable sin el conocimiento del remitente o el receptor de los mensajes.

Esencialmente, la criptografía cuántica utiliza partículas/ondas de luz individuales (fotones) y sus propiedades cuánticas intrínsecas para desarrollar un sistema inexpugnable (porque resulta imposible medir el estado cuántico de cualquier sistema sin alterar ese sistema). [3]

La criptografía cuántica utiliza fotones para transmitir una clave. Una vez que se transmite la clave, se puede realizar el cifrado utilizando el método normal de clave secreta. Pero, ¿cómo se convierte un fotón en una clave? ¿Cómo se adjunta información al giro de un fotón? [3]

Aquí es donde entra en juego el código binario. Cada tipo de giro de un fotón representa una pieza de información, un 1 o un 0 en código binario. Este código usa cadenas de unos y ceros para crear un mensaje coherente. Por ejemplo, 11100100110 podría corresponder con h-o-l-a. Por lo tanto, se puede asignar un código binario a cada fotón; por ejemplo, a un fotón que tiene un giro vertical ( | ) se le podría asignar un 1.

El cifrado normal, no cuántico, puede funcionar de varias maneras, generalmente cifrando un mensaje que sólo puede descifrarse utilizando una clave secreta. La clave está en asegurarse de que nadie, a parte de los destinatarios del mensaje, conozca esta clave secreta. Pero este tipo de técnicas de cifrado tiene vulnerabilidades. Existen determinados productos, las llamadas claves débiles, que son más fáciles de factorizar que otros. Además, según la Ley de Moore, la potencia de procesamiento de los ordenadores aumenta constantemente. Además, los matemáticos están desarrollando constantemente nuevos algoritmos que permiten factorizar claves secretas más fácilmente. [3]

La criptografía cuántica evita todos estos problemas. Con esta técnica, la clave se codifica mediante una serie de fotones que se transfieren entre las dos partes que desean compartir información secreta. Según el Principio de Indeterminación de Heisenberg, resulta imposible observar un fotón sin alterar su velocidad, su posición o sin destruirlo. [3]

Referencias

[1] https://www.cybertalk.org/2020/10/23/quantum-internet-fast-forward-into-the-future/
[2] https://www.zdnet.com/article/what-is-the-quantum-internet-everything-you-need-to-know-about-the-weird-future-of-quantum-networks/
[3] https://ahmedbanafa.blogspot.com/2014/06/understanding-quantum-cryptography.html