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Red cuántica

Las redes cuánticas forman un elemento importante de la computación cuántica y los sistemas de comunicación cuánticos . Las redes cuánticas facilitan la transmisión de información en forma de bits cuánticos, también llamados qubits , entre procesadores cuánticos físicamente separados. Un procesador cuántico es una máquina capaz de realizar circuitos cuánticos en un determinado número de qubits. Las redes cuánticas funcionan de forma similar a las redes clásicas. La principal diferencia es que las redes cuánticas, al igual que la computación cuántica, son mejores para resolver ciertos problemas, como el modelado de sistemas cuánticos.

Lo esencial

Redes cuánticas para la computación.

La computación cuántica en red o computación cuántica distribuida [1] [2] funciona vinculando múltiples procesadores cuánticos a través de una red cuántica enviando qubits entre ellos. Hacer esto crea un clúster de computación cuántica y, por lo tanto, genera más potencial informático. De esta manera se pueden vincular ordenadores menos potentes para crear un procesador más potente. Esto es análogo a conectar varias computadoras clásicas para formar un grupo de computadoras en la informática clásica. Al igual que la informática clásica, este sistema es escalable añadiendo cada vez más ordenadores cuánticos a la red. Actualmente los procesadores cuánticos sólo están separados por distancias cortas.

Redes cuánticas para la comunicación.

En el ámbito de la comunicación cuántica , uno quiere enviar qubits de un procesador cuántico a otro a largas distancias. [3] De esta manera, las redes cuánticas locales pueden estar intraconectadas a una Internet cuántica . Una Internet cuántica [1] admite muchas aplicaciones, cuyo poder se debe al hecho de que, mediante la creación de qubits cuánticos entrelazados , se puede transmitir información entre procesadores cuánticos remotos. La mayoría de las aplicaciones de una Internet cuántica requieren sólo procesadores cuánticos muy modestos. Para la mayoría de los protocolos de Internet cuánticos, como la distribución de claves cuánticas en la criptografía cuántica , es suficiente si estos procesadores son capaces de preparar y medir solo un qubit a la vez. Esto contrasta con la computación cuántica , donde sólo se pueden realizar aplicaciones interesantes si los procesadores cuánticos (combinados) pueden simular fácilmente más qubits que una computadora clásica (alrededor de 60 [4] ). Las aplicaciones de Internet cuántica requieren solo pequeños procesadores cuánticos, a menudo un solo qubit, porque el entrelazamiento cuántico ya se puede realizar entre solo dos qubits. Una simulación de un sistema cuántico entrelazado en una computadora clásica no puede proporcionar simultáneamente la misma seguridad y velocidad.

Descripción general de los elementos de una red cuántica.

La estructura básica de una red cuántica y, más generalmente, de una Internet cuántica es análoga a la de una red clásica. Primero, tenemos nodos finales en los que finalmente se ejecutan las aplicaciones. Estos nodos finales son procesadores cuánticos de al menos un qubit. Algunas aplicaciones de Internet cuántica requieren procesadores cuánticos de varios qubits, así como una memoria cuántica en los nodos finales.

En segundo lugar, para transportar qubits de un nodo a otro, necesitamos líneas de comunicación. Para la comunicación cuántica, se pueden utilizar fibras de telecomunicaciones estándar. Para la computación cuántica en red, en la que los procesadores cuánticos están conectados a distancias cortas, se eligen diferentes longitudes de onda dependiendo de la plataforma de hardware exacta del procesador cuántico.

En tercer lugar, para aprovechar al máximo la infraestructura de comunicaciones, se requieren conmutadores ópticos capaces de entregar qubits al procesador cuántico previsto. Estos interruptores deben preservar la coherencia cuántica , lo que los hace más difíciles de realizar que los interruptores ópticos estándar.

Por último, se necesita un repetidor cuántico para transportar qubits a largas distancias. Los repetidores aparecen entre los nodos finales. [5] Dado que los qubits no se pueden copiar ( teorema de no clonación ), la amplificación de señal clásica no es posible. Por necesidad, un repetidor cuántico funciona de forma fundamentalmente diferente a un repetidor clásico.

Elementos de una red cuántica.

Nodos finales: procesadores cuánticos

Los nodos finales pueden recibir y emitir información. [5] Los láseres de telecomunicaciones y la conversión descendente paramétrica combinados con fotodetectores se pueden utilizar para la distribución de claves cuánticas . En este caso, los nodos finales pueden ser en muchos casos dispositivos muy simples que consisten únicamente en divisores de haz y fotodetectores.

Sin embargo, para muchos protocolos son deseables nodos finales más sofisticados. Estos sistemas proporcionan capacidades de procesamiento avanzadas y también pueden utilizarse como repetidores cuánticos. Su principal ventaja es que pueden almacenar y retransmitir información cuántica sin alterar el estado cuántico subyacente . El estado cuántico que se almacena puede ser el espín relativo de un electrón en un campo magnético o el estado energético de un electrón. [5] También pueden realizar puertas de lógica cuántica .

Una forma de realizar dichos nodos finales es mediante el uso de centros de color en diamantes, como el centro de vacantes de nitrógeno . Este sistema forma un pequeño procesador cuántico compuesto por varios qubits . Los centros NV se pueden utilizar a temperatura ambiente. [5] Los algoritmos cuánticos a pequeña escala y la corrección de errores cuánticos [6] ya se han demostrado en este sistema, así como la capacidad de entrelazar dos [7] y tres [8] procesadores cuánticos, y realizar teletransportación cuántica determinista . [9]

Otra posible plataforma son los procesadores cuánticos basados ​​en trampas de iones , que utilizan láseres y campos magnéticos de radiofrecuencia. [5] En una red de nodos de iones atrapados de múltiples especies, los fotones entrelazados con un átomo principal se utilizan para entrelazar diferentes nodos. [10] Además, la electrodinámica cuántica de cavidades (Cavity QED) es un método posible para hacerlo. En Cavity QED, los estados cuánticos fotónicos se pueden transferir hacia y desde estados cuánticos atómicos almacenados en átomos individuales contenidos en cavidades ópticas. Esto permite la transferencia de estados cuánticos entre átomos individuales utilizando fibra óptica , además de la creación de entrelazamientos remotos entre átomos distantes. [5] [11] [12]

Líneas de comunicación: capa física

A largas distancias, el método principal para operar redes cuánticas es utilizar redes ópticas y qubits basados ​​en fotones . Esto se debe a que las redes ópticas tienen una probabilidad reducida de decoherencia . Las redes ópticas tienen la ventaja de poder reutilizar la fibra óptica existente . Alternativamente, se pueden implementar redes en el espacio libre que transmitan información cuántica a través de la atmósfera o mediante el vacío. [13]

Redes de fibra óptica

Las redes ópticas que utilizan fibra de telecomunicaciones existente se pueden implementar utilizando hardware similar al equipo de telecomunicaciones existente. Esta fibra puede ser monomodo o multimodo, y el multimodo permite una comunicación más precisa. [5] En el emisor, se puede crear una única fuente de fotones atenuando fuertemente un láser de telecomunicaciones estándar de modo que el número medio de fotones por pulso sea inferior a 1. Para la recepción, se puede utilizar un fotodetector de avalancha . Se pueden utilizar varios métodos de control de fase o polarización , como interferómetros y divisores de haz . En el caso de protocolos basados ​​en entrelazamiento , los fotones entrelazados se pueden generar mediante una conversión descendente paramétrica espontánea . En ambos casos, la fibra de telecomunicaciones se puede multiplexar para enviar señales de control y temporización no cuánticas.

En 2020, un equipo de investigadores afiliados a varias instituciones de China logró enviar memorias cuánticas entrelazadas a través de un cable de fibra enrollado de 50 kilómetros. [14]

Redes de espacio libre

Las redes cuánticas de espacio libre funcionan de manera similar a las redes de fibra óptica, pero dependen de la línea de visión entre las partes que se comunican en lugar de utilizar una conexión de fibra óptica. Las redes de espacio libre normalmente pueden admitir velocidades de transmisión más altas que las redes de fibra óptica y no tienen que tener en cuenta la codificación de polarización causada por la fibra óptica . [15] Sin embargo, en largas distancias, la comunicación en el espacio libre está sujeta a una mayor posibilidad de perturbación ambiental en los fotones . [5]

La comunicación espacial libre también es posible desde un satélite a la Tierra. Se ha demostrado un satélite cuántico capaz de distribuir el entrelazamiento a una distancia de 1.203 km [16] . También se ha informado del intercambio experimental de fotones individuales desde un sistema global de navegación por satélite a una distancia oblicua de 20.000 km. [17] Estos satélites pueden desempeñar un papel importante al vincular redes terrestres más pequeñas a distancias más grandes.

Repetidores

Las comunicaciones a larga distancia se ven obstaculizadas por los efectos de la pérdida de señal y la decoherencia inherentes a la mayoría de los medios de transporte, como la fibra óptica. En la comunicación clásica, se pueden utilizar amplificadores para amplificar la señal durante la transmisión, pero en una red cuántica no se pueden utilizar amplificadores porque los qubits no se pueden copiar, lo que se conoce como teorema de no clonación . Es decir, para implementar un amplificador sería necesario determinar el estado completo del qubit volador, algo que es a la vez no deseado e imposible.

Repetidores de confianza

Un paso intermedio que permite probar la infraestructura de comunicación son los repetidores confiables. Es importante destacar que no se puede utilizar un repetidor confiable para transmitir qubits a largas distancias. En cambio, un repetidor confiable solo puede usarse para realizar una distribución de claves cuánticas con el supuesto adicional de que el repetidor es confiable. Considere dos nodos finales A y B, y un repetidor confiable R en el medio. A y R ahora realizan una distribución de claves cuánticas para generar una clave . De manera similar, R y B ejecutan una distribución de claves cuánticas para generar una clave . A y B ahora pueden obtener una clave entre ellos de la siguiente manera: A envía a R cifrada con la clave . R descifra para obtener . Luego, R vuelve a cifrar usando la clave y la envía a B. B la descifra para obtener . A y B ahora comparten la clave . La clave está a salvo de un espía externo, pero claramente el repetidor R también lo sabe . Esto significa que cualquier comunicación posterior entre A y B no proporciona seguridad de extremo a extremo, sino que sólo es segura mientras A y B confíen en el repetidor R.

Repetidores cuánticos

Diagrama de teletransportación cuántica de un fotón.

Un verdadero repetidor cuántico permite la generación de entrelazamiento cuántico de extremo a extremo y, por lo tanto, mediante el uso de teletransportación cuántica , la transmisión de qubits de extremo a extremo . En los protocolos de distribución de claves cuánticas se puede comprobar dicho entrelazamiento. Esto significa que al crear claves de cifrado, el remitente y el receptor están seguros incluso si no confían en el repetidor cuántico. Cualquier otra aplicación de una Internet cuántica también requiere la transmisión de qubits de un extremo a otro y, por tanto, un repetidor cuántico.

Los repetidores cuánticos permiten el entrelazamiento y pueden establecerse en nodos distantes sin enviar físicamente un qubit entrelazado a toda la distancia. [18]

En este caso, la red cuántica consta de muchos enlaces de corta distancia, quizás de decenas o cientos de kilómetros. En el caso más simple de un solo repetidor, se establecen dos pares de qubits entrelazados: uno ubicado en el emisor y el repetidor, y un segundo par ubicado en el repetidor y el receptor. Estos qubits entrelazados iniciales se pueden crear fácilmente, por ejemplo mediante conversión descendente paramétrica , con un qubit transmitido físicamente a un nodo adyacente. En este punto, el repetidor puede realizar una medición de Bell en los qubits y así teletransportar el estado cuántico de . Esto tiene el efecto de "intercambiar" el entrelazamiento de manera que y ahora estén entrelazados a una distancia dos veces mayor que la de los pares entrelazados iniciales. Puede verse que una red de tales repetidores se puede utilizar de forma lineal o jerárquica para establecer entrelazamientos a grandes distancias. [19] [20]

Las plataformas de hardware adecuadas como nodos finales anteriores también pueden funcionar como repetidores cuánticos. Sin embargo, también existen plataformas de hardware específicas [21] para la tarea de actuar como repetidor, sin la capacidad de realizar puertas cuánticas.

Error de corrección

La corrección de errores se puede utilizar en repetidores cuánticos. Sin embargo, debido a limitaciones tecnológicas, la aplicabilidad se limita a distancias muy cortas, ya que los esquemas de corrección de errores cuánticos capaces de proteger qubits a largas distancias requerirían una cantidad extremadamente grande de qubits y, por lo tanto, computadoras cuánticas extremadamente grandes.

Los errores en la comunicación se pueden clasificar en términos generales en dos tipos: errores de pérdida (debido a la fibra óptica /entorno) y errores de operación (como despolarización , desfase, etc.). Si bien la redundancia se puede utilizar para detectar y corregir errores clásicos, no se pueden crear qubits redundantes debido al teorema de no clonación. Como resultado, se deben introducir otros tipos de corrección de errores, como el código Shor o uno de varios códigos más generales y eficientes. Todos estos códigos funcionan distribuyendo la información cuántica entre múltiples qubits entrelazados para que se puedan corregir los errores de operación y de pérdida. [22]

Además de la corrección de errores cuánticos, las redes cuánticas pueden emplear la corrección de errores clásica en casos especiales, como la distribución de claves cuánticas. En estos casos, el objetivo de la comunicación cuántica es transmitir de forma segura una cadena de bits clásicos. Los códigos de corrección de errores tradicionales, como los códigos Hamming, se pueden aplicar a la cadena de bits antes de codificarla y transmitirla en la red cuántica.

Purificación de enredos

La decoherencia cuántica puede ocurrir cuando un qubit de un estado de campana máximamente entrelazado se transmite a través de una red cuántica. La purificación por entrelazamiento permite la creación de qubits entrelazados casi al máximo a partir de una gran cantidad de qubits arbitrarios débilmente entrelazados y, por lo tanto, proporciona protección adicional contra errores. La purificación por entrelazamiento (también conocida como destilación por entrelazamiento ) ya se ha demostrado en centros de vacantes de nitrógeno en diamantes. [23]

Aplicaciones

Una Internet cuántica admite numerosas aplicaciones, habilitadas por el entrelazamiento cuántico . En general, el entrelazamiento cuántico es muy adecuado para tareas que requieren coordinación, sincronización o privacidad.

Ejemplos de tales aplicaciones incluyen distribución de claves cuánticas , [24] [25] estabilización de reloj, [26] protocolos para problemas de sistemas distribuidos como la elección de líder o el acuerdo bizantino , [5] ampliación de la línea de base de los telescopios , [27] [28] como así como verificación de posición, [29] identificación segura y criptografía bipartita en el modelo de almacenamiento ruidoso . Una Internet cuántica también permite el acceso seguro a una computadora cuántica [30] en la nube. Específicamente, una Internet cuántica permite que dispositivos cuánticos muy simples se conecten a una computadora cuántica remota de tal manera que se puedan realizar cálculos allí sin que la computadora cuántica descubra cuál es realmente este cálculo (los estados cuánticos de entrada y salida no se pueden medir sin destruyendo el cálculo, pero se conocerá la composición del circuito utilizado para el cálculo).

Comunicaciones seguras

Cuando se trata de comunicarse de cualquier forma, el mayor problema siempre ha sido mantener la privacidad de estas comunicaciones. [31] Las redes cuánticas permitirían crear, almacenar y transmitir información, logrando potencialmente "un nivel de privacidad, seguridad e influencia computacional que es imposible de lograr con la Internet actual". [32]

Al aplicar un operador cuántico que el usuario selecciona a un sistema de información, la información se puede enviar al receptor sin posibilidad de que un espía pueda registrar con precisión la información enviada sin que ni el remitente ni el receptor lo sepan. A diferencia de la información clásica que se transmite en bits y se le asigna un valor 0 o 1, la información cuántica utilizada en las redes cuánticas utiliza bits cuánticos (qubits), que pueden tener valores 0 y 1 al mismo tiempo, estando en un estado de superposición . . [32] [33] Esto funciona porque si un oyente intenta escuchar, cambiará la información de una manera no intencionada al escuchar, señalando así a las personas a las que está atacando. En segundo lugar, sin el operador cuántico adecuado para decodificar la información, corromperán la información enviada sin poder utilizarla ellos mismos. Además, los qubits pueden codificarse en una variedad de materiales, incluida la polarización de fotones o los estados de espín de los electrones . [32]

Estado actual

Internet cuántico

En la actualidad, no existe ninguna red que conecte procesadores cuánticos ni repetidores cuánticos desplegados fuera de un laboratorio.

Un ejemplo de un prototipo de red de comunicación cuántica es la red cuántica de ocho usuarios a escala urbana descrita en un artículo publicado en septiembre de 2020. La red ubicada en Bristol utilizó una infraestructura de fibra ya implementada y funcionó sin conmutación activa ni nodos confiables. [34] [35]

En 2022, investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y el Instituto de Tecnología Cuántica de Jinan demostraron el entrelazamiento cuántico entre dos dispositivos de memoria ubicados a 12,5 km de distancia entre sí dentro de un entorno urbano. [36]

Ese mismo año, un físico de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) dio un paso significativo hacia la red del futuro mediante el uso de una técnica llamada teletransportación cuántica que envía datos a tres ubicaciones físicas, lo que antes solo era posible con dos ubicaciones. [37]

Redes cuánticas para la computación.

En 2021, investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania informaron sobre un primer prototipo de puertas lógicas cuánticas para computadoras cuánticas distribuidas. [38] [39]

Módems cuánticos experimentales

Un equipo de investigación del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, está logrando transportar datos cuánticos desde qubits voladores y estables mediante la coincidencia del espectro infrarrojo. Esto requiere un sofisticado cristal de silicato de itrio superenfriado para intercalar erbio en un entorno reflejado para lograr la coincidencia de resonancia de las longitudes de onda infrarrojas que se encuentran en las redes de fibra óptica. El equipo demostró con éxito que el dispositivo funciona sin pérdida de datos. [40]

Redes cuánticas móviles

En 2021, investigadores en China informaron sobre la transmisión exitosa de fotones entrelazados entre drones , utilizados como nodos para el desarrollo de redes cuánticas móviles o extensiones de redes flexibles. Este podría ser el primer trabajo en el que se enviaron partículas entrelazadas entre dos dispositivos en movimiento. [41] [42]

Redes de distribución de claves cuánticas.

Se han implementado varias redes de prueba que se adaptan a la tarea de distribución de claves cuánticas , ya sea a distancias cortas (pero conectando a muchos usuarios) o a distancias mayores confiando en repetidores confiables. Estas redes aún no permiten la transmisión de qubits de un extremo a otro ni la creación de entrelazamientos entre nodos lejanos.

Red cuántica DARPA
A principios de la década de 2000, DARPA comenzó a patrocinar un proyecto de desarrollo de redes cuánticas con el objetivo de implementar una comunicación segura. La Red Cuántica DARPA entró en funcionamiento dentro del laboratorio de BBN Technologies a finales de 2003 y se amplió aún más en 2004 para incluir nodos en las universidades de Harvard y Boston. La red consta de múltiples capas físicas que incluyen fibra óptica que soporta láseres de fase modulada y fotones entrelazados, así como enlaces en el espacio libre. [43] [44]
SECOQC Viena Red QKD
De 2003 a 2008, el proyecto Comunicación Segura basada en Criptografía Cuántica (SECOQC) desarrolló una red de colaboración entre varias instituciones europeas. La arquitectura elegida para el proyecto SECOQC es una arquitectura de repetidor confiable que consiste en enlaces cuánticos punto a punto entre dispositivos donde la comunicación de larga distancia se logra mediante el uso de repetidores. [45]
Red jerárquica china
En mayo de 2009, se demostró una red cuántica jerárquica en Wuhu, China. La red jerárquica consta de una red troncal de cuatro nodos que conectan varias subredes. Los nodos troncales están conectados a través de un enrutador cuántico de conmutación óptica. Los nodos dentro de cada subred también están conectados a través de un conmutador óptico y a la red troncal a través de un relé confiable. [46]
Red de área de Ginebra (SwissQuantum)
La red SwissQuantum desarrollada y probada entre 2009 y 2011 unía las instalaciones del CERN con la Universidad de Ginebra y Hepia en Ginebra. El programa SwissQuantum se centró en la transición de las tecnologías desarrolladas en SECOQC y otras redes cuánticas de investigación a un entorno de producción. En particular la integración con las redes de telecomunicaciones existentes, y su fiabilidad y robustez. [47]
Red QKD de Tokio
En 2010, varias organizaciones de Japón y la Unión Europea establecieron y probaron la red QKD de Tokio. La red de Tokio se basa en tecnologías QKD existentes y adoptó una arquitectura de red similar a SECOQC. Por primera vez, se implementó el cifrado de teclado de un solo uso a velocidades de datos lo suficientemente altas como para admitir aplicaciones populares de usuario final, como conferencias seguras de voz y video. Las redes QKD a gran escala anteriores solían utilizar algoritmos de cifrado clásicos como AES para transferencias de datos de alta velocidad y claves derivadas cuánticas para datos de baja velocidad o para volver a codificar periódicamente los algoritmos de cifrado clásicos. [48]
Línea troncal Beijing-Shanghai
En septiembre de 2017, se inauguró oficialmente una red de distribución de claves cuánticas de 2000 km entre Beijing y Shanghai, China. Esta línea troncal servirá como columna vertebral para conectar redes cuánticas en Beijing, Shanghai, Jinan en la provincia de Shandong y Hefei en la provincia de Anhui. Durante la ceremonia de apertura, dos empleados del Banco de Comunicaciones completaron una transacción de Shanghai a Beijing utilizando la red. La State Grid Corporation de China también está desarrollando una aplicación de gestión para el enlace. [49] La línea utiliza 32 nodos confiables como repetidores. [50] También se ha puesto en servicio una red de telecomunicaciones cuánticas en Wuhan, capital de la provincia de Hubei, en el centro de China, que se conectará al troncal. Se planea seguir otras redes cuánticas urbanas similares a lo largo del río Yangtze. [51]
En 2021, los investigadores que trabajan en esta red de redes informaron que combinaron más de 700 fibras ópticas con dos enlaces QKD tierra-satélite utilizando una estructura de retransmisión confiable para una distancia total entre nodos de hasta ~4600 km, lo que la convierte en la Tierra. La red de comunicación cuántica integrada más grande. [52] [53]
IQNET
IQNET (Redes y tecnologías cuánticas inteligentes) fue fundada en 2017 por Caltech y AT&T . Juntos, están colaborando con el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi y el Laboratorio de Propulsión a Chorro . [54] En diciembre de 2020, IQNET publicó un trabajo en PRX Quantum que informó sobre una teletransportación exitosa de qubits de contenedores de tiempo a través de 44 km de fibra . [55] Por primera vez, el trabajo publicado incluye un modelado teórico de la configuración experimental . Los dos bancos de pruebas para las mediciones realizadas fueron Caltech Quantum Network y Fermilab Quantum Network. Esta investigación representa un paso importante en el establecimiento de una Internet cuántica del futuro, que revolucionaría los campos de la comunicación segura , el almacenamiento de datos, la detección de precisión y la informática. [56]

Ver también

Referencias

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