ıllı Internet y Tecnologías de la Información (2018)

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[Enciclopedia Online Gratuita] Diccionario de Internet y Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC):

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Las primeras proposiciones teóricas sobre formas de comunicación “cuánticas” se remontan a mil novecientos setenta, cuando Stephen Wiesner vio potencial al hecho de que sea imposible medir una propiedad de un sistema cuántico sin alterarlo. Él planteó que la información podría codificarse en unidades llamadas qubits, que no son más que sistemas cuánticos con 2 estados propios, como por poner un ejemplo un átomo apartado cuyo spin puede estar cara arriba, cara abajo e inclusive en una combinación arbitraria de los dos. Wiesner apuntó que, puesto que no se pueden medir las propiedades de un qubit sin alterarlo, es imposible hacer copias precisas del mismo . Esta propiedad no es más que una consecuencia del Teorema de no clonación, por el que es imposible extraer información del sistema sin ser detectado.


Inspirados por Wiesner, en mil novecientos ochenta y cuatro Converses Bennett, un informático en IBM en Yorktown Heights, N. York y su cooperador Gilles Brassard de la Universidad de la ciudad de Montreal en Canadá, desarrollaron una ocurrente idea por la que 2 usuarios podrían producir una clave de encriptación que solo estos sabrían codificándola en los estados de polarización del fotón, el esquema BB84. Más adelante en mil novecientos ochenta y nueve, Bennett lideró al equipo que primero probó esta distribución de una clave cuántica (QKD por sus iniciales en inglés) experimentalmente. Hoy, esquemas afines de QKD son comercializados y típicamente vendidos a empresas financieras o bien organizaciones gubernativos. ID Quantique, por servirnos de un ejemplo, lleva resguardando los resultados de las elecciones suizas durante más de diez años a través de la utilización de dichas claves de encriptación cuánticas.


De exactamente la misma forma, en dos mil diecisiete, el satélite chino Micius, obra del físico Pan Jianwei, que no es más que una variación del protocolo de Bennett y Brassard, hizo una demostración experimental de otra QKD. El funcionamiento es el siguiente: el satélite produce 2 claves y las manda codificadas cuánticamente, una a la estación de Beijin y otra a la de Viena. Tras ello, con un computador que lleva incorporado, combina las claves segregas para crear una nueva, que se transmite a las dos estaciones de forma tradicional. Teniendo sus claves, los dos equipos pueden conocer la clave del otro sustrayendo la suya propia de la clave conjunta. Así cualquiera de los equipos podría desencriptar una transmisión que el otro equipo haya cifrado con su clave. En verdad, en el mes de septiembre de dos mil diecisiete, Pan y Anton Zeilinger de la Universidad de Viena, emplearon este modelo para hacer la primera video llamada intercontinental asegurada en parte con una clave cuántica .


Cuando deseamos efectuar comunicaciones cuánticas, un factor esencial es la distancia a la que deseamos trasmitir la información. El primordial inconveniente de este sistema es que los fotones no pueden recorrer una distancia exageradamente grande sin perder su polarización o bien ser absorbidos por el medio. Para solucionar este inconveniente, se usan los repetidores cuánticos.


Funcionamiento


En principio, para solucionar este inconveniente, podríamos meditar en poner dispositivos entre Alice y Bob que recojan los fotones y manden copias con exactamente la misma información. De esta forma, conseguiríamos multiplicar la distancia a la que podemos mandar fotones. No obstante, el teorema de no clonación nos impide copiar un estado cuántico arbitrario, como, por servirnos de un ejemplo, el de los fotones.


Es preciso la presencia de un nodo seguro a fin de que esto ocurra. Fundamentalmente, un nodo seguro marcha de la próxima manera:


1) Ha de estar puesto en algún punto entre Alice y Bob. Cuando Alice mande fotones polarizados a Bob, el nodo seguro los va a recibir en su sitio.


2) Como no es posible copiar el estado de los fotones sin conocerlo, el nodo seguro va a medir la polarización de cada fotón. De esta manera, puede reconstruir la clave de cifrado, que se guarda en el nodo como información tradicional.


3) Cuando el nodo seguro tiene la clave de cifrado, puede encriptarla nuevamente en fotones polarizados y mandarla a Bob. Como es lógico, esos fotones van a estar en exactamente el mismo estado que los que mandó Alice originalmente.


De este modo, logramos acrecentar la distancia de envío de los fotones.


Es esencial apreciar que esto no viola el teorema de no clonación, puesto que el nodo seguro mide el estado de los fotones ya antes de preparar un sistema idéntico.


El primordial inconveniente de los nodos seguros es que, como se mienta en el apartado precedente, precisan guardar clásicamente la información. Esto quiere decir que un espía podría acceder a la memoria de exactamente los mismos y conseguir la clave: los nodos seguros son puntos frágiles. En consecuencia, al trabajar con estos dispositivos es preciso destinar recursos suficientes a su protección contra agentes externos.


Sin embargo, aunque es verdad que son puntos frágiles, su empleo hace que la seguridad del canal de comunicación aumente enormemente. Esto es debido a que dismuyen todas y cada una de las vulnerabilidades de la red a los propios nodos seguros, con lo cuál es posible resguardarse de los oyentes externos sin hacer más que resguardar adecuadamente los nodos seguros.


Implementación


En septiembre de dos mil diecisiete se completó la creación de una extensa red de comunicaciones cuánticas entre Pekín y Shanghai. Dicha red conecta cuatro urbes a través de treinta y dos trusted nodes, empleando para esto más de dos mil quilómetros de fibra óptica. Hoy día es testada para comunicaciones entre entidades y empresas, como por servirnos de un ejemplo el gigante de comercio electrónico Alibaba.

Teleportación cuántica

En la década de los dos mil, una serie de ensayos efectuados por Christopher Monroe probaron que se pueden conseguir las bases que serían precisas para la construcción de una red de internet cuántico. El fundamento de dicha red sería la teleportación cuántica.


Para edificar este género de redes, precisamos lograr 2 qubits entrelazados (por servirnos de un ejemplo, 2 átomos).Un modo de entrelazarlos podría ser, por servirnos de un ejemplo, la emisión de 2 fotones (que, por su parte, estarían entrelazados entre sí) por la parte de un tercer sistema. Los fotones se emiten de tal forma que cada uno de ellos de ellos va a ser absorbido por uno de los qubits que deseamos entrelazar. A veces, la distancia (entre otros muchos factores) puede suponer un inconveniente para lograr entrelazar 2 sistemas. En estos casos se pueden usar repetidores cuánticos, que consistirían en una pareja 2 dos qubits entrelazados entre sí, que además de esto se entrelazan respectivamente a través de el mecanismo precedente a cada uno de ellos de los átomos de los extremos. Así, este repetidor aumenta la distancia a la que podemos enlazar sistemas. Se pueden emplear tantos repetidores como sea preciso.


Una vez que hemos logrado entrelazar los 2 qubits, procuramos que el sujeto del extremo 1, Alice, pueda pasar el estado cuántico de un tercer qubit (X) como información al extremo dos, Bob. Para esto, Alice precisa entrelazar X a su qubit (lo que provoca por su parte que X quede entrelazado con el qubit de Bob) y efectuar una serie de medidas sobre los dos qubits de su extremo. En función de los resultados logrados en sus medidas, debe informar a través de un canal tradicional a Bob de qué medidas debe efectuar él en su lado para conseguir por último que su qubit quede en el estado en el que originalmente se encontraba X. Con esto, la información queda absolutamente mandada a través de un canal cuántico, si bien haciendo necesariamente empleo de un canal tradicional.


Implementación


El objetivo último de la investigación en este campo es la creación de una red basada en el fenómeno del entrelazamiento cuántico.


A día de el día de hoy, ya se han construido ciertos mecanismos basados en este fenómeno. Un equipo dirigido por Ronald Hanson (Universidad de Delft) logró en dos mil quince entrelazar 2 pares de qubits con una separación entre ellos de trece km.

Campus de la universidad de Delft, donde se efectuó el experimento de Hanson et al.(dos mil quince)

El experimento llevado a cabo por Hanson consistía en situar impurezas de diamante en 2 laboratorios diferentes, A y B. Mediante un complejo proceso, las muestras de A y B emiten fotones que poseen información sobre los spines de sus electrones. Estos fotones se hallan un laboratorio C, y también interaccionan con un tercer sistema para lograr el entrelazamiento entre las muestras de A y B. Esquema del experimento.

Esquema del experimento de Hanson et al.(dos mil quince)

Entre los grandes éxitos logrados, se halla el de convertir las longitudes de onda del perceptible que salen de los qubits de diamante a longitudes de onda más largas (infrarrojas) que pueden viajar bien durante las fibras ópticas. Para esto, se emplea un procedimiento que se fundamenta en la interacción de los fotones con un láser. Lograr esto no ha sido simple, en tanto que los nuevos fotones necesariamente deben tener la información de los fotones precedentes, mas el teorema de no clonación nos afirma que esto no posible si no medimos anteriormente sobre esos fotones.


Es interesante resaltar que este equipo de investigación efectuó doscientos cuarenta y cinco ensayos de pruebas de Bell en dieciocho días, consiguiendo que S=2.42 (esto es, consiguieron una violación de la desigualdad de CHSH-Bell). Como se puede querer, existen todavía un sinnúmero de desafíos que superar, que en conjunto se traducen en un inconveniente de ingeniería. En un corto plazo, se pretende que en dos mil veinte el equipo de Hanson cuando procuré conectar cuatro urbes Holandesas, siendo de esta forma la primera red de teletransporte cuántico del planeta.


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