Qué es y cómo se está creando la internet cuántica del futuro, en la que la información viajará a la velocidad de la luz

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Image caption Los científicos están desarrollando una internet súper veloz que se moverá a la velocidad de la luz.

Imagina computadoras ultrarrápidas capaces de resolver problemas mucho más velozmente que las máquinas que usamos hoy día.

Esas "computadoras cuánticas" ya están siendo desarrolladas en laboratorios de todo el mundo. Pero los científicos han dado el siguiente paso y están creando un internet cuántico que viajará a la velocidad de la luz.

No es fácil fabricar tecnología para dispositivos que, técnicamente, todavía no se han inventado, pero las comunicaciones cuánticas son un campo interesante para la investigación porque permiten enviar mensajes de forma mucho más segura.

¿Qué es una computadora cuántica?

Es una máquina capaz de solucionar problemas informáticos muy complejos a una velocidad increíble, muy por encima de las computadoras "clásicas" actuales.

En las computadoras convencionales, la unidad de información se llama "bit" y puede tener un valor de 1 a 0. Su equivalente en el sistema cuántico es el cúbit (bit cuántico), y puede ser 1 y 0 al mismo tiempo. Este fenómeno abre el camino a cálculos que pueden realizarse de forma simultánea.

Sin embargo, los cúbits necesitan ser sincronizados usando un efecto conocido como como "entrelazamiento", que Albert Einstein definió como una "acción fantasmagórica a distancia".

Estas computadoras tendrán muchas aplicaciones útiles, desde modificar reacciones químicas para nuevos medicamentos, hasta desarrollar tecnologías para el cuidado de la salud o acelerar el diseño de baterías con nuevos materiales.

Cada vez más potencia

Las computadoras cuánticas serán más potentes que las clásicas, pero algunas aplicaciones requerirán más potencia que la que puede proporcionar una computadora cuántica por sí misma.

Al lograr que dos aparatos cuánticosse comuniquen entre sí, se podrá reunir su potencia para crear una enorme máquina cuántica.

Sin embargo, como se están construyendo computadoras cuánticas de distintos tipos -de partículas de luz, iones atrapados o cúbits, por ejemplo- se necesitará algún tipo de ayuda para que puedan hablar entre ellas.

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Image caption La internet cuántica permitirá enviar mensajes a una velocidad nunca antes experimentada.

Hay científicos a favor de crear una internet cuántica basada enteramente en partículas de luz (fotones), mientras que otros creen que es más fácil hacer redes cuánticas en las que la luz interactúe con la materia.

"La luz es mejor para las comunicaciones pero los cúbits de materia son mejores para el procesamiento", le cuenta a la BBC Joseph Fitzsimons, investigador principal del Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Nacional de Singapur.

"Necesitas ambos para la que la red corrija los errores de la señal, aunque puede ser difícil hacer que interactúen", añade.

"Es muy costoso y complicado almacenar toda la información en fotones", dice Fitzsimons, "pues no pueden verse entre ellos y no rebotan entre sí". Dice que sería más fácil usar luz para las comunicaciones y electrones o átomos para guardar la información.

Mensajes ocultos

Una de las aplicaciones clave de la internet cuántica será el sistema de distribución de clave cuántica (QKD), mediante el cual se genera una clave secreta usando un par de fotones entrelazados.

Se usa para cifrar información que no pueda descifrar una computadora cuántica.

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Image caption La encriptación cuántica hará que las comunicaciones sean mucho más seguras.

De hecho, esta tecnología ya existe y se demostró por primera vez en el espacio por un equipo de investigadores de la Universidad de Singapur y de la Universidad de Strathclyde, en Reino Unido, en diciembre de 2015.

Pero, además, los científicos están creando "protocolos ciegos" para que los usuarios puedan esconder la información que deseen,

"Podrás escribir algo y enviarlo a una computadora remota, y la persona que posee la computadora no sabrá nada sobre ello, más allá de cuánto te demoró enviar el mensaje y cuánta memoria usaste", explica Fitzsimons.

"Esto es importante porque no habrá muchas computadoras cuánticas cuando aparezcan por primera vez, así que la gente querrá manejar programas remotamente en ellas, al igual que hacemos hoy en la nube".

¿Tierra o espacio?

Hay dos tipos de enfoques para construir las redes cuánticas: que sean terrestres o espaciales. Ambos funcionan bien para enviar bits de datos en la internet de hoy, pero si queremos enviar datos en cúbits en el futuro, será mucho más complicado.

Para enviar partículas de luz (fotones) podemos usar cables de fibra óptica, pero la señal se deteriora con distancias largas porque a veces estos cables absorben fotones.

Se podrían construir "estaciones repetidoras" cada 50km que funcionen como laboratorios cuánticos en miniatura para reparar la señal.

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Image caption Los sistemas espaciales funcionan mejor que los terrestres pero son más caros.

También hay redes basadas en el espacio, a través de satélites que transmiten las señales.

"Como no hay aire entre satélites, no hay nada que pueda degradar la señal", le dijo a la BBC Jamie Vicary, investigador de ciencia computacional de la Universidad de Oxford, en Reino Unido.

"Si queremos internet cuántica a escala global, la solución basada en el espacio es la única forma en la que podrá trabajar, pero es la más costosa".

Ya se llevó a cabo con éxito la teletransportación cuántica a través del espacio. Los científicos están compitiendo para hacerlo a distancias cada vez más largas.

Rupert Ursin, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austríaca de Ciencias, cree que la internet cuántica requerirá redes tanto espaciales como terrestres que operen en paralelo.

"En las ciudades, necesitamos una red de fibra, pero las conexiones de larga distancia quedarán cubiertas por redes satelitales", explicó.

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Image caption ¿Llegará a ser global la comunicación cuántica? Los científicos dicen que su desarrollo será costoso.

Mensajes, nodos y memoria cuántica

Las "estaciones repetidoras" -conectadas por cables de fibra óptica- que están desarrollando algunos científicos se llaman también "nodos cuánticos" y cada uno de ellos repara y lanza de nuevo la señal para que llegue al receptor.

Es como usar una vieja máquina de fax para enviar un documento, página por página, a otra persona. Siempre se pierde una parte del mensaje.

Habrá muchas personas en la red tratando de comunicarse, así qu eel nodo deberá averiguar cómo distribuir su potencia para enviar esos mensajes.

Además, tendrá que enviar mensajes por internet cuántico y clásico. Cuanto mayor sea la máquina, más nodos habrá que añadir.

Derechos de autor de la imagen Stuart Hay, ANU
Image caption Rose Ahlefeldt y Matthew Sellars operando un láser de alta resolución para crear chips de memoria n la Universidad Nacional Australiana (ANU).

"Queremos hacer que sean pequeños para que no haya incoherencia, aunque entonces no podrán soportar muchos cúbits", dice Vicary.

"Si conectamos los nodos a una red, todavía podemos tener una computadora cuántica sin limitar el número de cúbits", añade.

Esas estaciones deberán tener chips de memoria cuántica. Los nodos crean "links", entrelazando pares de partículas de luz y las almacenan en un lugar seguro (esos chips).

Investigadores de la Universidad Nacional Australiana (ANU) han desarrollado un chip de memoria cuántica que puede usarse en telecomunicaciones.

Es capaz de almacenar luz durante más de un segundo y es 10.000 veces más duradero que otros intentos que se hicieron hasta ahora.

"El mayor reto ahora es probar una memoria cuántica con mayor capacidad de almacenamiento de datos", le dice a la BBC Matthew Sellars, del Centro para Computación Cuántica y Tecnologías de la Comunicación, del ANU.

"Será la capacidad de almacenaje lo que limitará la transmisión de datos en la red. Creo que harán falta unos cinco años para que la tecnología que haga posible la internet cuántica se ponga en práctica".

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