Después de mi primer artículo sobre computadoras cuánticas, ahora exploro e intento explicar el mundo igualmente fantástico y desafiante de las redes cuánticas. Con la computación cuántica vienen las redes cuánticas, y la mejor tecnología que tenemos para eso es la fibra óptica. Aunque las computadoras cuánticas están cerca de la magia absoluta, todavía necesitan redes para comunicarse y, en su mayor parte, no estamos mirando el cobre. La fibra óptica es la cosa, pero hay un desafío extraño en el envío de pequeños fotones por sí solos. E incluso si el futuro parece cuántico, puede apostar que todavía habrá mucha tecnología antigua trabajando en paralelo durante años, por lo que asegurarse de que todos puedan coexistir y mantenerse seguros será uno de los mayores desafíos para los administradores de sistemas.
Internet tal como lo conocemos
Cuando era adolescente, algunos de mis amigos y yo fuimos a los Estados Unidos como estudiantes de intercambio. Si bien mejoramos nuestras habilidades en el idioma inglés, también notamos la conveniencia de poder comunicarnos en privado entre nosotros al cambiar a nuestro idioma nativo, el sueco. Podríamos hablar todo tipo de tonterías en lugares públicos, y nadie lo entendería. Así fue, hasta que un día, una señora mayor nos miró con ojos severos y nos dijo en perfecto sueco que deberíamos avergonzarnos de nosotros mismos y cuidar nuestro idioma. Sonrojados y sintiéndonos muy tontos, murmuramos nuestras disculpas y salimos rápidamente.
Internet es similar en que, la mayoría de las veces, podemos tener conversaciones privadas y seguras; sin embargo, siempre existe el riesgo de que esa comunicación sea interceptada. La información puede ser robada o distorsionada, por lo que hay muchas buenas razones por las que los equipos de seguridad están presionando a todos ante cualquier señal de vulnerabilidad, especialmente si trabaja con información de alto perfil o de alto valor.
Internet, tal y como lo conocemos, está repleto de protocolos de seguridad y algoritmos de cifrado para proteger nuestras conversaciones y todos los datos que generamos. Pero con las fuerzas del mal en libertad, existe el riesgo constante de que logren descifrar, robar, copiar, falsificar o acceder a nuestra valiosa información. Si no pueden descifrarlo, pueden bloquearlo desatando todo tipo de malware y ataques creativos para inundar los enlaces de comunicación.
Las computadoras cuánticas se comunican de manera diferente.
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Una red entrelazada cuántica
El entrelazamiento cuántico es cuando dos partículas conectadas se colocan en diferentes lugares, donde el emisor tiene una parte y el receptor tiene la otra. Las partículas entrelazadas adoptarán simultáneamente la posición opuesta de la otra partícula entrelazada. De esta manera, inmediatamente sabrás lo que está haciendo el otro lado, y lo extraño es que en esta etapa, no hay comunicación para interceptar.
En la Universidad de Bristol, un equipo de científicos internacionales ha creado una red cuántica que, cuando se amplía, tiene "el potencial de servir a millones de usuarios". Esto suena muy ambicioso, y es un gran problema porque, hasta ahora (cuando se escribió este artículo), las redes entrelazadas cuánticas consistían principalmente en solo dos nodos. Ampliarlos con más nodos no es fácil, ya que requiere una multitud de componentes costosos que, a su vez, requieren un respaldo financiero sustancial. El equipo de Bristol ha creado una red cuántica con ocho nodos y ocho cajas receptoras.
Teniendo en cuenta que los métodos anteriores necesitarían 56 cajas para cuidar ocho nodos, este es un gran avance. Además, el hecho de que estén usando la tecnología existente es aún mejor, pero el desafío sigue siendo la distancia, a lo que me referiré más adelante.
Adiós cobre
La información en una red cuántica se puede transferir a través de fibra óptica, y eso es, por supuesto, muy bueno porque hay mucho y se está implementando más. Los fotones de estado cuántico que viajan a lo largo de la fibra óptica son muy sensibles a las interferencias, lo que significa que el estado cuántico se pierde fácilmente. Los fotones son tan pequeños y débiles que, después de cierta distancia, son absorbidos por el cable de fibra óptica. Hay mucha investigación sobre cómo abordar este desafío y se están logrando avances, pero hasta ahora, solo a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Sin hambre de energía
Ya he escrito sobre computadoras cuánticas y dije que son grandes, voluminosas y consumen mucha energía. La cuestión es que se necesita energía para crear las circunstancias especiales necesarias para que la física cuántica se active. Esto incluye cosas como el vacío, temperaturas cercanas al cero absoluto y un entorno absolutamente libre de interferencias. Los fotones y electrones reales que "hacen cuántica" necesitan cantidades minúsculas de energía, por lo que una vez que el estado cuántico pueda funcionar de manera confiable a temperatura ambiente, podríamos ver computadoras mucho más pequeñas que necesitan muy poca energía.
Repetidores cuánticos
Como ya se mencionó, las redes de fibra óptica actuales tienen la molesta habilidad de absorber los fotones transmitidos, y esto sucede en apenas unos pocos kilómetros. El quid es que el entrelazamiento cuántico es un estado muy frágil y es difícil de mantener. Incluso la más pequeña perturbación o interacción entre uno de los fotones y lo que sea que esté a su alrededor romperá el enlace:ingrese repetidores. Sin embargo, los repetidores actuales tienen limitaciones y vulnerabilidades y se vuelven complejos de mantener una vez que comienza a escalar.
Pasar el testigo
Un repetidor cuántico medirá las propiedades cuánticas de los fotones que llegan. Luego, el repetidor transfiere las propiedades cuánticas a nuevos fotones y los envía al siguiente tramo. Teniendo en cuenta que fácilmente podría haber 100 000 fotones por segundo, el repetidor será un lugar ocupado.
Este proceso de retransmisión hace posible la propagación del entrelazamiento a distancias mucho más largas, pero en mi mundo simple, me pregunto cómo podemos asegurarnos de que se transfieran las propiedades cuánticas correctas. Posiblemente, esto se ordene por entrelazamiento cuántico, donde el destinatario ya sabe qué esperar.
Si ponemos esto a escala, vamos a necesitar un seguimiento serio; no solo para rastrear errores sino también para corregirlos. El campo de las matemáticas dedicado a la física cuántica y sus peculiaridades está en constante progreso. De hecho, hay tanto progreso que tengo que dejar de leer artículos de investigación o nunca terminaré este artículo. Así de rápido se mueven las cosas en esta área.
Cuántica a distancia
Un equipo científico de la Universidad Nacional de Yokohama ha desarrollado una nueva forma de entrelazar fotones y ha logrado enviar estos fotones a más de 10 kilómetros a través de fibra óptica. También han utilizado un único repetidor y, al hacerlo, lograron una distancia total de 20 kilómetros.
Al momento de escribir este artículo, lo más lejos que alguien ha logrado mantener el entrelazamiento cuántico fue de 83,7 kilómetros, logrado este año por científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. y la Universidad de Chicago. Pero estoy seguro de que ese récord se romperá muchas veces en un futuro cercano.
Guardar un secreto
Los qubits que se transportan a través de la red cuántica tienen una característica muy específica y única llamada "efecto del observador", lo que significa que son imposibles de interrumpir, y esto es parte de cómo funciona la mecánica cuántica. El efecto del observador significa que cualquier intento de monitorear los fotones a medida que se mueven a lo largo de la red no solo los modificaría sino que los destruiría.
Esto significa que el destinatario sabrá de inmediato si ha habido intentos de espionaje en el camino. Actualmente, no hay forma de evitar este fenómeno, ya que es una propiedad inherente de la mecánica cuántica, por lo que no sorprende que los gobiernos, las empresas médicas y las instituciones financieras estén abiertamente interesados.
*Dado que la investigación en esta área se está moviendo a una velocidad tan fantástica, no me sorprendería si los científicos encontraran una forma de eludir esta propiedad inherente antes de que lea esto.
Redes cuánticas cifradas
Entonces, ¿qué tan seguro puedes estar? Aparentemente, no lo suficiente. El campo de la criptografía cuántica está en auge y, mediante el uso de la tecnología de distribución de claves cuánticas (QKD), es posible cifrar y descifrar información entre el remitente y el receptor. Los qubits solo se pueden leer una vez que han llegado a su destino, y usted tiene la clave cuántica correcta para desbloquearlos, así que no más escuchas a escondidas.
¿Nodos cuánticos en el espacio?
A estas alturas, sabemos que la física cuántica funciona mejor sin ninguna interferencia, en el vacío donde hace mucho frío, y eso hace que algunas partes del espacio cercanas a la Tierra sean muy adecuadas. El poder que necesitan las computadoras cuánticas aquí en la Tierra se destina principalmente a crear las condiciones especiales que el espacio ofrece en abundancia. El qubit en sí necesita una energía absolutamente minúscula para funcionar, por lo que los científicos están buscando la oportunidad de tener computadoras cuánticas en satélites entrelazados entre sí, lo que permitiría enviar problemas desde la Tierra, procesarlos en el espacio y luego devolver la respuesta. a la tierra. Los satélites estarían enviando fotones enredados de vuelta a la Tierra, qué genial es eso.
No estoy completamente desquiciado:la idea en realidad proviene de científicos de la Universidad Estatal de Luisiana en Baton Rouge. Ah, y por cierto, el entrelazamiento cuántico en el espacio ya se probó con éxito en 2017.
Más es mejor
Hummingbird, Eagle, Osprey y Condor:estos son nombres de procesadores con un número creciente de qubits de Big Blue (IBM), que está en camino hacia una computadora cuántica de un millón de qubits, cuyo lanzamiento está previsto para 2030. sorprendió saber que, en septiembre de 2020, IBM lanzó su nuevo procesador Quantum Hummingbird de 65 qubits, pero solo para miembros de IBM Q Network. De cualquier manera, puede leer más sobre su hoja de ruta aquí.
Qubits en perspectiva
Las computadoras de hoy en día funcionan con bits. Un bit puede ser cero o uno. El equivalente en las computadoras cuánticas se llama "qubit" y puede tener el valor de cero y uno al mismo tiempo, incluidos todos los valores intermedios. Esto hace que la computadora cuántica sea superior en el sentido de que no se necesitan demasiados qubits para superar a las supercomputadoras que tenemos hoy. Ahora, imagina el rendimiento de una computadora de un millón de qubits.
Si vamos a tener computadoras mega cuánticas en solo 10 años (o menos), necesitamos algunas redes de fibra serias y componentes de red muy inteligentes que las acompañen. En cuanto a la tasa de desarrollo en esta área, necesitaremos una gran cantidad de tecnología nueva que aún no se ha inventado. Creo que estamos al borde de un gran salto tecnológico que será mucho más grande y dramático que cualquier cosa que hayamos experimentado anteriormente.
Sigo con curiosidad a las empresas que ingresan a este mercado emergente. Ellos están liderando; ¿Quién seguirá?
Debilidad cuántica
En mi carrera, he escuchado afirmaciones sobre tecnologías como "100% seguro" o "este es el límite absoluto", solo para verlos rotos otros seis meses después. "Cómo lograr una seguridad de red incondicional gracias a la mecánica cuántica" es probablemente un pensamiento igualmente débil. Las amenazas en Internet cuántica se analizan en este documento creado por Takahiko Satoh, Shota Nagayama, Shigeya Suzuki, Takaaki Matsuo y Rodney Van Meter. Su atención se centra en la arquitectura del repetidor cuántico y argumentan que, dado que un repetidor incluye hardware informático clásico, los posibles ataques son muy similares a los de los sistemas clásicos.
Teniendo en cuenta que los ataques generalmente no tienen como objetivo los puntos más fuertes, que son los detalles específicos de la mecánica cuántica, uno puede esperar razonablemente ataques en los puntos más débiles, que, inevitablemente, serán los componentes clásicos de la red.
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Conclusión
Con las computadoras cuánticas vienen las redes cuánticas, y la mejor tecnología actual que tenemos para eso es la fibra óptica. Los qubits que transportan fotones de estado cuántico se transfieren a través de la red y, gracias a la naturaleza de la mecánica cuántica y al "efecto del observador", el estado cuántico no se puede interceptar durante el transporte. Sin embargo, puede haber debilidad en los repetidores, un componente necesario si se quiere alcanzar alguna distancia.
Parte de la tecnología aún tiene que diseñarse y hay muchos desafíos, pero con un enorme interés financiero en una "internet segura", los investigadores tienen toda la financiación que necesitan. El vertiginoso progreso en esta área se hace evidente si observa la gran cantidad de artículos científicos que se están publicando.
Si se puede construir, se puede romper. El debate en torno a la seguridad y el cifrado es animado, y no esperaría que las fuerzas oscuras se quedaran inactivas esperando que la tecnología cuántica madure.
Las computadoras y redes cuánticas ya están aquí y, dentro de unos años, estarán disponibles comercialmente. ¿Estarás listo para entonces?