Las partículas no tienen una existencia independiente, sino que existen únicamente en relación con otras partículas. Werner Heisenberger

En varios laboratorios de investigación, se trabaja actualmente en una nueva generación de computadoras, las cuánticas. La computación clásica se basa, en última instancia, en los principios del álgebra booleana. Los datos deben procesarse en un estado binario exclusivo, bits, en cualquier momento. 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 esos dispositivos modifiquen su 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, se entra en el mundo cuántico.

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

Las primeras proposiciones teóricas sobre maneras de comunicación “cuánticas” se remontan a 1970, cuando Stephen Wiesner vio potencial al hecho de que es imposible medir una propiedad de un sistema cuántico sin modificarlo. Él mismo propuso que la información podría codificarse en unidades llamadas qubits, que no son más que sistemas cuánticos con dos estados propios, como por ejemplo, un átomo aislado cuyo spin puede estar hacia arriba, hacia abajo e incluso en una combinación arbitraria de ambos. Wiesner señaló que no se pueden medir las propiedades de un qubit sin modificarlo, es imposible hacer copias exactas del mismo ¿se acuerdan del famoso gato de Schrödinger? Esa propiedad no es más que una consecuencia del Teorema de no clonación, por el cual es imposible extraer información del sistema sin ser detectado.

Inspirados por Wiesner, en 1984 Charles Bennett, informático de IBM en Yorktown Heights, New York y su colaborador Gilles Brassard, de la Universidad de Montreal, Canadá, desarrollaron una ingeniosa idea por la cual dos usuarios podrían generar una clave de encriptación que solo ellos conocerían. Esa clave se codificaría en los estados de polarización del fotón. En 1989, Bennett lideró al el primer equipo que demostró esa distribución de una clave cuántica (QKD por sus siglas en inglés) experimentalmente. Hoy se usan esquemas similares de QKD por empresas financieras u organizaciones gubernamentales. ID Quantique, por ejemplo, lleva protegiendo los resultados de las elecciones suizas por más de diez años mediante el empleo de dichas claves de encriptación cuánticas.

Entrando en materia, la internet cuántica se basa en dos de los pilares de la física cuántica, la superposición y el entrelazamiento, y aquí es donde muchas personas pierden la ecuanimidad porque se “rompe” con el sentido común y con la experiencia que tenemos los humanos. Veamos primero la superposición de estados.

En una computadora clásica, la cantidad de información que se puede codificar en un estado concreto con la utilización de un bit tiene tamaño n, pero en un procesador cuántico de n qubits un estado concreto de la máquina es una combinación de todas las posibles colecciones de n, unos y ceros. Considere 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, es decir, a la vez, con una determinada probabilidad. Esto es una idea compleja, pero se puede intuir si se acepta el principio de que el estado de un objeto es el resultado de la ocurrencia simultánea de varias opciones con distinta probabilidad. Una consecuencia muy importante de esa propiedad de las computadoras, es que la cantidad de información que contiene un estado concreto de la máquina tiene tamaño 2n, y no n, como en las computadoras clásicas.

Esa diferencia es esencial y explica el potencial de la computación cuántica, pero también puede ayudar a intuir su complejidad. Si en una computadora clásica se pasaba de trabajar con n bits a hacerlo con n+1 bits, se estaría incrementando la información que almacena el estado interno de la máquina en un único bit. Sin embargo, si en una computadora cuántica se pasa de trabajar con n qubits a realizarlo con n+1 qubits, se estaría duplicando la información que almacena el estado interno de la máquina, que pasaría de 2ⁿ a 2ⁿ⁺¹. Eso significa, que el incremento de la capacidad de una computadora clásica a medida que se introducen más bits es lineal, mientras que el de una computadora cuántica a medida que aumenta el número de qubits, es exponencial.

El otro fenómeno cuántico es el entrelazamiento, mucho más complejo que el anterior. Esa propiedad no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo, lo cual significa que esos objetos, en realidad, forman parte de un mismo sistema, incluso aunque estén separados físicamente. De hecho, la distancia no importa. 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 rota la otra. El entrelazamiento cuántico permite a qubits separados por distancias increíbles, interactuar 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.

Si varias partículas, objetos o sistemas están entrelazados mediante ese fenómeno cuántico, cuando se miden las propiedades físicas de uno de ellos se estaría condicionando instantáneamente las propiedades físicas de los otros sistemas con los que está entrelazado. Incluso, aunque estén en las antípodas. Suena a ciencia ficción, es verdad, pero por muy extraño y sorprendente que parezca este fenómeno, se ha comprobado experimentalmente.

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

Utilidad práctica

Una de los campos más prometedores que los investigadores de esta área están explorando, es el de la seguridad en las comunicaciones. La seguridad cuántica 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 trabaja con 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 como ya se dijo).

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? Ahí 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. Ese código usa cadenas de unos y ceros para crear un mensaje coherente. Por ejemplo, 11100100110 podría ser la codificación de la palabra 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 hacia arriba se le podría asignar un 1 y al que tenga un giro hacia abajo, un 0.

El cifrado normal puede funcionar de varias maneras, generalmente codificando un mensaje que sólo puede descifrarse utilizando una clave secreta. El asunto es asegurar que nadie, aparte del destinatario del mensaje, conozca esa clave secreta. Pero ese tipo de técnicas de cifrado tiene vulnerabilidades, algunas de las cuales son el constante incremento de la potencia de cómputo de los equipos y que los matemáticos no se están tranquilos y desarrollan constantemente nuevos algoritmos que permiten factorizar claves secretas más fácilmente.

La criptografía cuántica evita todos esos problemas. Con esa 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 (el cual plantea que se puede conocer la posición o la velocidad de la partícula, pero no ambos parámetros), resulta imposible observar un fotón sin alterar su velocidad, su posición o sin destruirlo.

En 2017, el satélite chino Micius realizó una demostración experimental: generó dos claves y las mandó codificadas cuánticamente, una a una estación de Pekín y otra a Viena. Después una computadora combinó las claves secretas para crear una nueva, que se transmitió a ambas estaciones de manera clásica. Teniendo sus propias claves, ambos equipos pudieron conocer la clave del otro substrayendo la suya propia de la combinación conjunta. De esa manera, cualquiera de los equipos pudo desencriptar una transmisión que el otro equipo hubiera encriptado con su clave. En septiembre de 2017, dos investigadores de la Universidad de Viena, emplearon ese modelo para llevar a cabo la primera video llamada intercontinental asegurada en parte con una clave cuántica.

Cuando se quiere realizar comunicaciones cuánticas, un factor importante es la distancia a la que se quiere transmitir la información. El principal problema de ese sistema es que los fotones no pueden recorrer una distancia excesivamente grande sin perder su polarización o ser absorbidos por el medio. Para solventar ese problema, se utilizan los repetidores cuánticos.

En principio, para solventar el problema, se podría pensar en colocar dispositivos entre María y Juan, que recojan los fotones y envíen copias con la misma información. Así, se lograría multiplicar la distancia a la que se puede enviar fotones. Sin embargo, el teorema de no clonación impide copiar un estado cuántico arbitrario. Para lograrlo es necesaria la presencia de un nodo seguro para que eso ocurra. Por economía de espacio no entraré en detalles de cómo se logra que el nodo sea seguro, pero amigo lector, confíe que es así.

Eso no se quedó en la teoría, ya en septiembre de 2017 se completó la creación de una extensa red de comunicaciones cuánticas entre Beijing y Shanghái. Dicha red conecta cuatro ciudades mediante 32 nodos confiables, empleando para ello más de 2000 kilómetros de fibra óptica.

Se considera que la computación cuántica puede ser de muchísima ayuda a la hora de crear un sistema de comunicación completamente nuevo. Se trataría de internet cuántica, donde la información estaría codificada y compartida en qubits. La diferencia con la Internet actual es que se conectarían computadoras cuánticas en red. De esa manera, se estaría ante computadoras capaces de trabajar juntas de manera simultánea, con la finalidad de resolver problemas en prácticamente todos los ámbitos, además de ofrecer una comunicación muy segura, con un rendimiento y una velocidad significativamente más elevados en el transporte de los datos.

La seguridad casi total se lograría porque las comunicaciones serían inalterables, algo que no siempre ocurre con las redes actuales. Eso se debe a que el sistema permitiría hacer que la información no fuera modificable, puesto que el intercambio de información sería seguro y estaría completamente a salvo. Y es gracias a los qubits, que se permitiría que los datos fueran transportados de un punto a otro no solo casi instantáneamente, sino sin alteraciones.

Desplegar una infraestructura de comunicaciones cuánticas con cobertura mundial y un alcance equiparable al de la internet que se utiliza actualmente, permitirá transferir grandes volúmenes de información de una manera esencialmente instantánea. Además, la transmisión de los datos se realizaría de una forma inherentemente segura, debido a que el entrelazamiento entre los nodos involucrados en la comunicación se rompería si esta se vulnera de alguna forma. Incluso si, sencillamente, alguien la observa.

Ambas promesas suenan muy bien, pero lo más prudente es moderar el probable entusiasmo inicial debido a una razón de peso: internet cuántica no está destinada a reemplazar a la internet que se utiliza actualmente. Todavía queda mucho por hacer para que sea viable, pero cuando llegue, y se tienen razones fundadas para prever que ocurrirá, convivirá con la internet con la que todos estamos familiarizados, de igual forma que las computadoras cuánticas están llamadas a convivir en perfecta armonía con las supercomputadoras clásicas.

Esta reflexión invita a preguntarse en qué aplicaciones tiene sentido recurrir a una concepción cuántica de internet, y la respuesta emerge por sí sola de las dos propiedades de esa red: su capacidad de transferir grandes volúmenes de datos de forma instantánea y la invulnerabilidad inherente de las comunicaciones cuánticas.