Internet Cuantico

 

EL INTERNET CUÁNTICO                                                                                                                                                    

            20131119_-Internet-cuánticoEl internet cuántico representa un reto para la física moderna. Una serie encadenada de descubrimientos nos hace soñar que esta red ultrarrápida y segura será pronto una realidad. El experimento más reciente consiste en parar durante un minuto el avance de la luz.  Luego que se lograra demostrar que la luz cuenta con una memoria cuántica, la idea de crear una red mundial, que funcionara con este principio, tomó forma. El internet cuántico sería una red de información que correrá junto con la luz a velocidades impresionantes y con un nivel inusitado de seguridad. Pero, ¿cómo funciona exactamente el internet cuántico?Este hipotético internet funcionaría con la naturaleza cuántica de las partículas elementales que transportan información. La unidad de almacenamiento “clásica” es el bit (binary digit o dígito binario), el cual representa la elección entre dos elementos: el 1 o el 0 del sistema binario. En la “lógica clásica” un elemento sólo puede ser una cosa a la vez. En otras palabras, el bit puede ser 1 o 0, pero no los dos al mismo tiempo. No obstante, a nivel cuántico esta lógica no se aplica. Así como los fotones, partículas portadoras de los fenómenos de la luz, pueden comportarse como ondas o como partículas en determinadas situaciones, la “lógica cuántica” rompe las limitaciones del bit. El qubit (quantum bit o bit cuántico) lleva en potencia las dos posiciones 0 y 1. Pero este estado potencial sólo se mantiene en el mundo cuántico, en cuanto toca con el mundo de la “lógica clásica” necesariamente elegiría un estado entre 1 y 0.

            En 1980 surgieron los primeros conceptos de la computación cuántica, con avances que precisaron la idea en 1994, gracias al algoritmo cuántico-lógico desarrollado por Peter Shor. El siguiente paso a los ordenadores es una red que los comunique y mientras nadie ha logrado construir un ordenador cuántico, recientemente han podido construir una puerta lógica cuántica en una fibra óptica. Aunque en la actualidad el objetivo y proceso es claro, nadie ha podido diseñar un método práctico para construir un ordenador cuántico. Prem Kumar (profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Northwestern) ha dado un paso importante para hacer más práctica la computación cuántica y más tangible la idea de una futura Internet cuántica con una puerta lógica cuántica en una fibra óptica.

            ¿En qué se diferencian la Internet actual con una cuántica? Básicamente en que una red cuántica sería capaz de romper los límites de la comunicación por internet. Hemos leído varias veces que la capacidad de la red de redes podría colapsar, que las velocidades enfrentarían cuellos de botella y que deberíamos olvidarnos del streaming de videos en el futuro. Una Internet cuántica podría solucionar todos estos problemas. En Internet, la comunicación se lleva a cabo a través de pulsos de luz. La saturación de información y conexiones hace que esos pulsos se vuelvan cada vez más débiles, alcanzando un límite en lo que puede lograr. La mecánica cuántica describe que un fotón (unidad de luz indivisible) puede pasar por dos caminos diferentes a la vez. Con la ayuda de una memoria cuántica (detectar y almacenar la información en átomos), una Internet cuántica derribaría las limitaciones actuales de transferencias. La computación cuántica es un paradigma que busca superar las limitaciones y velocidades de los ordenadores actuales. Mientras un ordenador común responde a leyes físicas clásicas, un ordenador cuántico opera con un fenómeno físico único de la mecánica cuántica que le permite procesar la información de una forma fundamentalmente nueva.

                    Los avances tecnológicos han permitido que los microchips cada vez sean más pequeños y que contengan más transistores para aumentar la velocidad de procesado. Sin embargo, este avance tiene un límite, pues existe un punto (escalas nanométricas) en que los electrones ya no pueden circular por los canales correctos y el chip deja de funcionar. Si existe un límite en el tamaño a manipular el único sentido en que se puede seguir es aumentar los valores de procesado en un mismo espacio. Los ordenadores tradicionales trabajan a nivel de voltajes eléctricos. Un bit es una unidad de información representada como 0 o 1 equivalente a si la corriente es verdadera o falsa. En la computación digital, un bit puede tomar sólo 2 valores, pero en la computación cuántica ese valor es exponencial. En un ordenador cuántico, trabajando a nivel de cuanto y acorde a las leyes de la mecánica cuántica, el qubit no es binario, sino que tiene más bien una naturaleza cuaternaria. Un qubit existe como cero, como uno y simultáneamente tanto como 0 y como 1, con un coeficiente numérico representando la probabilidad de cada estado. Esto se traduce a que un ordenador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador de 10 teraflops.

                Así, el uso de qubits puede dar lugar a nuevas puertas lógicas dando origen a nuevos algoritmos, permitiendo la resolución de tareas que pueden resultar demasiado complejas para los ordenadores actuales. La computación cuántica promete resolución de problemas instantáneos y una seguridad de transmisión de datos virtualmente perfecta. Un ordenador súper capaz que se comunica con el resto a gran velocidad y sin comprometer la información. El trabajo de Plem Kumar no sólo representa un avance en el desarrollo de una Internet cuántica, sino que también sienta una base en la implementación práctica de ordenadores cuánticos. Las puertas lógicas reciben información, desarrollan una operación lógica y producen un resultado. Una puerta lógica cuántica es un componente fundamental en un ordenador cuántico, y crearla en abre todo un espectro de posibilidades. La puerta podría ser parte del circuito que pase información de forma segura a través de cientos de kilómetros de fibra. Podría llevar a redes distribuidas, como es la comunicación cuántica a larga distancia entre dos ordenadores cuánticos. En resumen, una Internet cuántica. Tal como dice Seth Lloyd (profesor de ingeniería mecánica en el MIT), “una red tal tendría poderes que no tiene la Internet actual. Particularmente, la comunicación a través de una Internet cuántica sería automáticamente segura”. Mayor velocidad, mayor capacidad, mayor seguridad. Una Internet perfecta.

Internet cuántico, el futuro de la red

        En las dependencias del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en Alemania, Stephan Ritter y Gerhard Rempe, crearon un20131119_-Internet-cuántico2 sistema de Internet cuántico de dos nodos. Esta tecnología permitiría el envío y recepción de información a larga distancia, de forma fiable y con una seguridad absoluta. La información fue publicada por la reconocida revista científica Nature. A pesar de ser un pequeño sistema, el Internet que ocupamos en la actualidad comenzó en los años sesenta de la misma forma. Por lo mismo, en el futuro podría extenderse para crear replicarse a gran escala, conformando una inmensa red de información cuántica. El equipo de físicos construyó un nodo universal que cuenta con la capacidad de recibir la información cuántica, almacenarla y, por supuesto, transmitirla.

                         La red primaria fue creada utilizando átomos de rubidio, atrapados en cavidades ópticas de reflexión en cada nodo de la red,  mientras los nodos se encuentran enlazados por fibra óptica Cada átomo de rubidio puede almacenar un estado cuántico (qubit), y cuando el átomo emite el fotón, el qubit (estado del átomo respectivo), queda codificado en la polarización del fotón. Así, el nodo de destino adquiere el estado del qubit que emitió dicho fotón. En palabras simples, este método permite utilizar átomos para almacenar qubits, mientras que los fotones son quienes transmiten el estado cuántico. El átomo de recepción toma el estado cuántico recibido. “Los átomos individuales son excelentes memorias cuánticas, y los fotones individuales son ideales para la transmisión”, señala Ritter. Por décadas, las redes cuánticas de información han sido un tema de real fascinación científica. Charles Bennett y Gilles Brassar en 1984, describieron la criptografía cuántica, basada en la transferencia de información codificada, mediante estados cuánticos de los fotones. Lo que fue considerado como el código final inquebrantable. Otro caso se vivió en 2008, cuando se instaló otra red de información de estas características, patrocinada por la Unión Europea, que sólo podía enviar datos, mientras que otros nodos sólo podían recibir.

              Gerhard Rempe pasó gran parte de la última década trabajando en el desarrollo y mejora de sistemas de cavidad de un solo átomo, en una interfaz reversible entre luz y materia, lo que permitió la concreción del proyecto, con la primera demostración de red en base a cuantos de energía. La decodificación cuántica es un proceso difícil, debido a que es extremadamente frágil. Por lo tanto, es una opción que plantea una seguridad casi absoluta, porque al ser hackeada se modifica o destruye. “Con el fin de evitar su alteración, o incluso la pérdida de la información, es necesario tener un perfecto control de todos los componentes de la red cuántica”, señaló Ritter. Aunque son términos y materias muy difíciles de comprender para el público no especializado, los posibles efectos de la implementación de esta tecnología sí se pueden ejemplificar. Las velocidades de navegación y descarga se volverían, literalmente, increíbles: una descarga podría finalizar antes de que el usuario termine de hacer clic. Por lo mismo, los tiempos de espera desaparecerían. A pesar de ser un significativo avance en el mundo científico, sus implicancias en el mundo cotidiano sólo se podrían ver en un futuro lejano.

                  Cada vez estamos más cerca de la llegada de una red increíblemente veloz e invulnerable. Se calcula que en el 2020 se podrá contar ya con esta tecnología. Impresionante, ¿no crees?

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