Las redes cuánticas forman un elemento importante de la computación cuántica y de los sistemas de comunicación cuántica . Las redes cuánticas facilitan la transmisión de información en forma de bits cuánticos, también llamados cúbits , entre procesadores cuánticos separados físicamente. Un procesador cuántico es una máquina capaz de realizar circuitos cuánticos en una cierta cantidad de cúbits. Las redes cuánticas funcionan de manera 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 computación
La computación cuántica en red o computación cuántica distribuida [1] [2] funciona conectando múltiples procesadores cuánticos a través de una red cuántica mediante el envío de cúbits entre ellos. Al hacer esto se crea un clúster de computación cuántica y, por lo tanto, se crea más potencial de computación. De esta manera, se pueden conectar computadoras menos potentes para crear un procesador más potente. Esto es análogo a conectar varias computadoras clásicas para formar un clúster de computadoras en la computación clásica. Al igual que la computación clásica, este sistema es escalable agregando cada vez más computadoras cuánticas a la red. Actualmente, los procesadores cuánticos solo están separados por distancias cortas.
Redes cuánticas para la comunicación
En el ámbito de la comunicación cuántica , se desea enviar qubits de un procesador cuántico a otro a grandes distancias. [3] De esta manera, las redes cuánticas locales pueden conectarse entre sí para formar una internet cuántica . Una internet cuántica [1] admite muchas aplicaciones, que derivan su poder del hecho de que al crear qubits entrelazados cuánticos , se puede transmitir información entre los procesadores cuánticos remotos. La mayoría de las aplicaciones de una internet cuántica requieren solo procesadores cuánticos muy modestos. Para la mayoría de los protocolos de internet cuántica, como la distribución de claves cuánticas en criptografía cuántica , es suficiente que estos procesadores sean capaces de preparar y medir solo un único qubit a la vez. Esto contrasta con la computación cuántica , donde solo 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 procesadores cuánticos pequeños, a menudo de 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, en términos más generales, de una internet cuántica es análoga a la de una red clásica. En primer lugar, tenemos nodos finales en los que se ejecutan las aplicaciones. Estos nodos finales son procesadores cuánticos de al menos un cúbit. Algunas aplicaciones de una internet cuántica requieren procesadores cuánticos de varios cúbits, así como una memoria cuántica en los nodos finales.
En segundo lugar, para transportar cúbits 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 según la plataforma de hardware exacta del procesador cuántico.
En tercer lugar, para aprovechar al máximo la infraestructura de comunicación, se necesitan conmutadores ópticos capaces de enviar cúbits al procesador cuántico previsto. Estos conmutadores deben preservar la coherencia cuántica , lo que hace que sean más difíciles de implementar que los conmutadores ópticos estándar.
Por último, se necesita un repetidor cuántico para transportar cúbits a largas distancias. Los repetidores aparecen entre los nodos finales. [5] Dado que los cúbits no se pueden copiar ( teorema de no clonación ), la amplificación clásica de la señal no es posible. Por necesidad, un repetidor cuántico funciona de una manera 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 constan únicamente de divisores de haz y fotodetectores.
Sin embargo, para muchos protocolos es deseable contar con 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 giro relativo de un electrón en un campo magnético o el estado energético de un electrón. [5] También pueden realizar puertas lógicas cuánticas .
Una forma de lograr estos nodos finales es mediante el uso de centros de color en el diamante, como el centro de nitrógeno-vacante . Este sistema forma un pequeño procesador cuántico que presenta varios cúbits . Los centros NV se pueden utilizar a temperatura ambiente. [5] Los algoritmos cuánticos de 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 plataforma posible son los procesadores cuánticos basados en trampas de iones , que utilizan campos magnéticos de radiofrecuencia y láseres. [5] En una red de nodos de iones atrapados de múltiples especies, los fotones enredados con un átomo padre se utilizan para enredar diferentes nodos. [10] Además, la electrodinámica cuántica de cavidades (QED de cavidades) es un método posible para hacer esto. En la QED de cavidades, 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 entrelazamiento remoto entre átomos distantes. [5] [11] [12]
Líneas de comunicación: capa física
En distancias largas, el método principal para operar redes cuánticas es usar 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 de espacio libre que transmitan información cuántica a través de la atmósfera o a través del vacío. [13]
Redes de fibra óptica
Las redes ópticas que utilizan fibra de telecomunicaciones existentes se pueden implementar utilizando hardware similar al equipo de telecomunicaciones existente. Esta fibra puede ser monomodo o multimodo, y la monomodo permite una comunicación más precisa. [5] En el transmisor, 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 menor que 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 a través de 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 generalmente pueden admitir velocidades de transmisión más altas que las redes de fibra óptica y no tienen que tener en cuenta la distorsión de polarización causada por la fibra óptica . [15] Sin embargo, en largas distancias, la comunicación en espacio libre está sujeta a una mayor probabilidad de perturbación ambiental en los fotones . [5]
La comunicación en el espacio libre también es posible desde un satélite a la Tierra. Se ha demostrado un satélite cuántico capaz de distribuir entrelazamientos a una distancia de 1203 km [16] . También se ha informado del intercambio experimental de fotones individuales desde un sistema de satélite de navegación global a una distancia oblicua de 20 000 km. [17] Estos satélites pueden desempeñar un papel importante en la vinculación de redes terrestres más pequeñas a distancias mayores. En las redes de espacio libre, las condiciones atmosféricas como la turbulencia, la dispersión y la absorción presentan desafíos que afectan la fidelidad de los estados cuánticos transmitidos. Para mitigar estos efectos, los investigadores emplean óptica adaptativa, esquemas de modulación avanzados y técnicas de corrección de errores. [18] La resiliencia de los protocolos QKD contra las escuchas clandestinas juega un papel crucial para garantizar la seguridad de los datos transmitidos. Específicamente, protocolos como BB84 y esquemas de estado señuelo se han adaptado para entornos de espacio libre para mejorar la robustez contra posibles vulnerabilidades de seguridad.
Repetidores
La comunicación a larga distancia se ve obstaculizada 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 potenciar la señal durante la transmisión, pero en una red cuántica no se pueden utilizar amplificadores porque los cúbits no se pueden copiar, lo que se conoce como el teorema de no clonación . Es decir, para implementar un amplificador, sería necesario determinar el estado completo del cúbit en movimiento, algo que no es deseable ni posible.
Repetidores de confianza
Un paso intermedio que permite la prueba de la infraestructura de comunicación son los repetidores confiables. Es importante destacar que un repetidor confiable no se puede utilizar para transmitir qubits a largas distancias. En cambio, un repetidor confiable solo se puede utilizar para realizar una distribución de clave cuántica 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 clave cuántica para generar una clave . De manera similar, R y B ejecutan la distribución de clave cuántica 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 descifra para obtener . A y B ahora comparten la clave . La clave es segura de un espía externo, pero claramente el repetidor R también sabe . Esto significa que cualquier comunicación posterior entre A y B no proporciona seguridad de extremo a extremo, sino que solo 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 la teletransportación cuántica , la transmisión de cúbits de extremo a extremo . En los protocolos de distribución de claves cuánticas se puede comprobar si existe tal entrelazamiento. Esto significa que, al crear claves de cifrado, el emisor 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 cúbits de extremo a extremo y, por lo 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. [19]
En este caso, la red cuántica consta de muchos enlaces de corta distancia de quizás decenas o cientos de kilómetros. En el caso más simple de un solo repetidor, se establecen dos pares de qubits entrelazados: y ubicados en el emisor y el repetidor, y un segundo par y ubicados en el repetidor y el receptor. Estos qubits entrelazados iniciales se pueden crear fácilmente, por ejemplo, a través de una 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, por lo tanto, teletransportar el estado cuántico de a . Esto tiene el efecto de "intercambiar" el entrelazamiento de tal manera que y ahora están entrelazados a una distancia dos veces mayor que la de los pares entrelazados iniciales. Se puede ver que una red de tales repetidores se puede utilizar de forma lineal o jerárquica para establecer el entrelazamiento a grandes distancias. [20] [21]
Las plataformas de hardware adecuadas como nodos finales antes mencionados también pueden funcionar como repetidores cuánticos. Sin embargo, también existen plataformas de hardware específicas únicamente [22] para la tarea de actuar como repetidor, sin las capacidades de realizar puertas cuánticas.
Corrección de errores
La corrección de errores se puede utilizar en repetidores cuánticos. Sin embargo, debido a limitaciones tecnológicas, su aplicabilidad está limitada a distancias muy cortas, ya que los esquemas de corrección de errores cuánticos capaces de proteger cúbits a largas distancias requerirían una cantidad extremadamente grande de cúbits y, por lo tanto, computadoras cuánticas extremadamente grandes.
Los errores en la comunicación pueden clasificarse en dos tipos: errores de pérdida (debidos a la fibra óptica o al entorno) y errores de operación (como despolarización , desfase, etc.). Si bien se puede utilizar la redundancia para detectar y corregir errores clásicos, no se pueden crear cúbits redundantes debido al teorema de no clonación. Como resultado, se deben introducir otros tipos de corrección de errores, como el código de Shor o uno de varios códigos más generales y eficientes. Todos estos códigos funcionan distribuyendo la información cuántica entre múltiples cúbits entrelazados para que se puedan corregir los errores de operación y los errores de pérdida. [23]
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 de Hamming, se pueden aplicar a la cadena de bits antes de codificarla y transmitirla en la red cuántica.
Purificación del enredo
La decoherencia cuántica puede ocurrir cuando un cúbit de un estado de campana de entrelazamiento máximo se transmite a través de una red cuántica. La purificación del entrelazamiento permite la creación de cúbits con un entrelazamiento casi máximo a partir de una gran cantidad de cúbits arbitrarios débilmente entrelazados y, por lo tanto, proporciona protección adicional contra errores. La purificación del entrelazamiento (también conocida como destilación del entrelazamiento ) ya se ha demostrado en centros de nitrógeno vacante en diamantes. [24]
Aplicaciones
Una Internet cuántica admite numerosas aplicaciones, habilitadas por el entrelazamiento cuántico . En general, el entrelazamiento cuántico es adecuado para tareas que requieren coordinación, sincronización o privacidad.
Ejemplos de tales aplicaciones incluyen distribución de claves cuánticas , [25] [26] estabilización de reloj, [27] protocolos para problemas de sistemas distribuidos como elección de líder o acuerdo bizantino , [5] extensión de la línea base de telescopios , [28] [29] así como verificación de posición, [30] [31] identificación segura y criptografía de dos partes en el modelo de almacenamiento ruidoso . Una internet cuántica también permite acceso seguro a una computadora cuántica [32] en la nube. Específicamente, una internet cuántica permite que dispositivos cuánticos muy simples se conecten a una computadora cuántica remota de tal manera que los cálculos se puedan realizar allí sin que la computadora cuántica descubra cuál es realmente este cálculo (los estados cuánticos de entrada y salida no se pueden medir sin destruir el cálculo, pero se conocerá la composición del circuito utilizado para el cálculo).
Comunicaciones seguras
En lo que respecta a la comunicación en cualquier forma, el mayor problema siempre ha sido mantener la privacidad de esas comunicaciones. [33] Las redes cuánticas permitirían crear, almacenar y transmitir información, logrando potencialmente "un nivel de privacidad, seguridad y poder computacional que es imposible de lograr con la Internet actual". [34]
Al aplicar un operador cuántico que el usuario selecciona a un sistema de información, la información puede enviarse al receptor sin posibilidad de que un espía pueda registrar con precisión la información enviada sin que lo sepan ni el remitente ni el receptor. 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 . [34] [35] Esto funciona porque si un oyente intenta escuchar, cambiará la información de una manera no intencionada al escuchar, delatando 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 usarla ellos mismos. Además, los qubits se pueden codificar en una variedad de materiales, incluida la polarización de los fotones o los estados de espín de los electrones . [34]
Estado actual
Internet cuántica
Un ejemplo de un prototipo de red de comunicación cuántica es la red cuántica a escala de ciudad para ocho usuarios 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. [36] [37]
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 uno del otro dentro de un entorno urbano. [38]
Ese mismo año, un físico de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) dio un paso importante hacia la red del futuro al utilizar una técnica llamada teletransportación cuántica que envía datos a tres ubicaciones físicas, algo que antes solo era posible con dos ubicaciones. [39]
En 2024, investigadores del Reino Unido y Alemania lograron un hito al producir, almacenar y recuperar información cuántica. Este hito implicó interconectar una fuente de luz de puntos cuánticos y un sistema de memoria cuántica, allanando el camino para aplicaciones prácticas a pesar de desafíos como la pérdida de información cuántica a grandes distancias. [40]
Redes cuánticas para computación
En 2021, investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania informaron sobre el primer prototipo de puertas lógicas cuánticas para computadoras cuánticas distribuidas. [41] [42]
Módems cuánticos experimentales
Un equipo de investigación del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, está teniendo éxito en el transporte de datos cuánticos desde cúbits flotantes y estables a través de la adaptación del espectro infrarrojo. Esto requiere un sofisticado cristal de silicato de itrio superenfriado para intercalar erbio en un entorno de espejo para lograr la adaptación por 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. [43]
Redes cuánticas móviles
En 2021, investigadores de China informaron sobre la transmisión exitosa de fotones entrelazados entre drones , utilizados como nodos para el desarrollo de redes cuánticas móviles o extensiones de red flexibles. Este podría ser el primer trabajo en el que se enviaron partículas entrelazadas entre dos dispositivos en movimiento. [44] [45]
Redes de distribución de claves cuánticas
Se han implementado varias redes de prueba diseñadas para la tarea de distribución de claves cuánticas , ya sea a distancias cortas (pero conectando a muchos usuarios) o a distancias mayores, apoyándose en repetidores confiables. Estas redes aún no permiten la transmisión de cúbits de extremo a extremo ni la creación de entrelazamientos de extremo a extremo entre nodos distantes.
Red cuántica de DARPA
A principios de la década de 2000, DARPA comenzó a patrocinar un proyecto de desarrollo de redes cuánticas con el objetivo de implementar comunicaciones seguras. La red cuántica de DARPA comenzó a funcionar dentro del laboratorio de BBN Technologies a fines 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 admite láseres modulados en fase y fotones entrelazados, así como enlaces de espacio libre. [46] [47]
Red de QKD de SECOQC Vienna
Entre 2003 y 2008, el proyecto de comunicaciones seguras basadas 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 a larga distancia se logra mediante el uso de repetidores. [48]
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 de la red troncal 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 están conectados a la red troncal a través de un relé confiable. [49]
Red de área de Ginebra (SwissQuantum)
La red SwissQuantum, desarrollada y probada entre 2009 y 2011, conectó las instalaciones del CERN con las de 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. [50]
Red de QKD de Tokio
En 2010, varias organizaciones de Japón y la Unión Europea instalaron y probaron la red QKD de Tokio. La red de Tokio se basó en tecnologías QKD existentes y adoptó una arquitectura de red similar a SECOQC. Por primera vez, se implementó el cifrado de un solo uso a velocidades de datos lo suficientemente altas como para admitir aplicaciones de usuario final populares, como conferencias de voz y video seguras. Las redes QKD a gran escala anteriores generalmente usaban algoritmos de cifrado clásicos, como AES, para la transferencia de datos de alta velocidad y usan las claves derivadas de la tecnología cuántica para datos de baja velocidad o para volver a codificar regularmente los algoritmos de cifrado clásicos. [51]
Línea troncal Pekín-Shanghái
En septiembre de 2017 se inauguró oficialmente una red de distribución de claves cuánticas de 2000 km entre Pekín y Shanghái (China). Esta línea troncal servirá como columna vertebral para conectar las redes cuánticas de Pekín, Shanghái, Jinan (provincia de Shandong) y Hefei (provincia de Anhui). Durante la ceremonia de inauguración, dos empleados del Banco de Comunicaciones completaron una transacción de Shanghái a Pekín utilizando la red. La State Grid Corporation of China también está desarrollando una aplicación de gestión para el enlace. [52] La línea utiliza 32 nodos de confianza como repetidores. [53] 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 a la línea troncal. Está previsto que sigan otras redes cuánticas urbanas similares a lo largo del río Yangtze. [54]
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 ~4.600 km, lo que la convierte en la red de comunicación cuántica integrada más grande de la Tierra. [55] [56]
Red IQ
IQNET (Intelligent Quantum Networks and Technologies) fue fundada en 2017 por Caltech y AT&T . Juntos, están colaborando con el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi y el Laboratorio de Propulsión a Chorro . [57] En diciembre de 2020, IQNET publicó un trabajo en PRX Quantum que informaba de una teletransportación exitosa de cúbits de intervalo de tiempo a través de 44 km de fibra . [58] Por primera vez, el trabajo publicado incluye un modelo teórico de la configuración experimental . Los dos bancos de pruebas para las mediciones realizadas fueron la Red Cuántica de Caltech y la Red Cuántica de Fermilab. 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. [59]
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