Introducción
Este mes, tres científicos ganaron el premio nobel de física por su trabajo demostrando una de las realidades más contradictorias pero consecuentes del mundo cuántico. Demostraron que dos partículas cuánticas entrelazadas deben considerarse un solo sistema, sus estados están inexorablemente entrelazados entre sí, incluso si las partículas están separadas por grandes distancias. En la práctica, este fenómeno de "no localidad" significa que el sistema que tiene frente a usted puede verse instantáneamente afectado por algo que está a miles de kilómetros de distancia.
El entrelazamiento y la no localidad permiten a los informáticos crear códigos imposibles de descifrar. En una técnica conocida como distribución de clave cuántica independiente del dispositivo, un par de partículas se entrelazan y luego se distribuyen a dos personas. Las propiedades compartidas de las partículas ahora pueden servir como un código, que mantendrá las comunicaciones seguras incluso desde las computadoras cuánticas, máquinas capaces de romper las técnicas clásicas de encriptación.
Pero, ¿por qué detenerse en dos partículas? En teoría, no existe un límite superior sobre cuántas partículas pueden compartir un estado entrelazado. Durante décadas, los físicos teóricos han imaginado conexiones cuánticas de tres, cuatro o incluso 100 vías, el tipo de cosas que permitirían una Internet protegida cuántica totalmente distribuida. Ahora, un laboratorio en China ha logrado lo que parece ser un entrelazamiento no local entre tres partículas a la vez, aumentando potencialmente la fuerza de la criptografía cuántica y las posibilidades de las redes cuánticas en general.
“La no localidad bipartidista ya es bastante loca”, dijo Pedro Bierhorst, un teórico de la información cuántica de la Universidad de Nueva Orleans. “Pero resulta que la mecánica cuántica puede hacer cosas que incluso van más allá cuando tienes tres partes”.
Los físicos han entrelazado más de dos partículas antes. El registro está en algún lugar entre 14 partículas y 15 billones, dependiendo de a quién le preguntes. Pero estos fueron solo a distancias cortas, a solo pulgadas de distancia como máximo. Para hacer que el entrelazamiento multipartito sea útil para la criptografía, los científicos deben ir más allá del simple entrelazamiento y demostrar la no localidad: "un listón alto para lograr", dijo Elie Wolfe, un teórico cuántico del Perimeter Institute for Theoretical Physics en Waterloo, Canadá.
La clave para probar la no localidad es probar si las propiedades de una partícula coinciden con las propiedades de la otra, el sello distintivo del entrelazamiento, una vez que están lo suficientemente separadas como para que nada más pueda causar los efectos. Por ejemplo, una partícula que todavía está físicamente cerca de su gemela entrelazada podría emitir radiación que afecta a la otra. Pero si están a una milla de distancia y se miden prácticamente instantáneamente, entonces es probable que estén unidos solo por enredos. Los experimentadores usan un conjunto de ecuaciones llamado Desigualdades de campana para descartar todas las demás explicaciones de las propiedades vinculadas de las partículas.
Con tres partículas, el proceso de probar la no localidad es similar, pero hay más posibilidades de descartar. Esto aumenta la complejidad tanto de las medidas como de los aros matemáticos que los científicos deben atravesar para probar la relación no local de las tres partículas. “Tienes que encontrar una forma creativa de abordarlo”, dijo Bierhorst, y tener la tecnología para crear las condiciones adecuadas en el laboratorio.
En los resultados publicados en agosto, un equipo de Hefei, China, dio un salto crucial. Primero, disparando láseres a través de un tipo especial de cristal, ellos enredado tres fotones y los colocó en diferentes áreas de la instalación de investigación, a cientos de metros de distancia. Luego midieron simultáneamente una propiedad aleatoria de cada fotón. Los investigadores analizaron las medidas y descubrieron que la relación entre las tres partículas se explicaba mejor por la no localidad cuántica de tres vías. Fue la demostración más completa de no localidad de tres vías hasta la fecha.
Técnicamente, queda una pequeña posibilidad de que algo más haya causado los resultados. “Todavía tenemos algunas lagunas abiertas”, dijo Gu Xuemei, uno de los autores principales del estudio. Pero al separar las partículas, pudieron descartar la explicación alternativa más evidente para sus datos: la proximidad física.
Los autores también basaron su experimento en un nuevo definición más estricta de no localidad de tres vías que ha ido ganando terreno en los últimos años. Mientras que los experimentos anteriores permitieron la cooperación entre los dispositivos que midieron los fotones, los tres dispositivos de Gu no pudieron comunicarse. En cambio, hicieron mediciones aleatorias de las partículas, una restricción que sería útil en escenarios criptográficos donde cualquier comunicación puede verse comprometida, dijo. renato renner, físico cuántico del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich. (Usando el paradigma anterior, un equipo canadiense demostrado no localidad de tres vías a distancia en 2014).
Ahora que los investigadores que siguen la nueva definición han entrelazado con éxito partículas tan separadas, pueden enfocarse en expandir la distancia aún más.
"Es un peldaño importante para hacer experimentos de mayor escala y distancias más largas", dijo Saikat Guha, un teórico de la información cuántica de la Universidad de Arizona.
Más directamente, esta tecnología puede impulsar una distribución de clave cuántica más expansiva, dijo Renner. Si usa partículas entrelazadas como clave para el cifrado, las mismas desigualdades de Bell que usan los físicos para probar la no localidad pueden garantizar que su secreto esté completamente seguro. Entonces, incluso si el dispositivo que usa para enviar o recibir un mensaje es manipulado maliciosamente por su peor enemigo, no podrá determinar su clave cuántica. Esos secretos quedan entre tú y quienquiera que tenga la otra partícula enredada.
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La distribución de claves cuánticas es "lo que entusiasma a la gente", dijo Renner. El año pasado, tres grupos separados demostró el protocolo en el laboratorio, aunque todavía a pequeña escala. Es por eso que la no localidad de tres vías será tan importante. “En principio, tiene mucho más poder criptográfico”, porque estas conexiones de tres vías no se pueden simular improvisando algunos enlaces de dos vías.
“Es un nivel de fenómeno fundamentalmente nuevo”, dijo Bierhorst, uno que podría expandir la criptografía independiente del dispositivo desde la comunicación bidireccional básica a una red completa de personas que comparten secretos.
Además de la criptografía, el entrelazamiento multipartito también abre posibilidades para otros tipos de redes cuánticas. Investigadores como Guha están trabajando en un internet cuántico, que podría vincular computadoras cuánticas de la misma manera que Internet normal conecta dispositivos ordinarios. Este sistema reuniría el poder de cómputo de muchos dispositivos cuánticos al conectar millones de partículas con diferentes niveles de entrelazamiento a través de diferentes distancias. Tenemos todos los componentes básicos individuales para un sistema de este tipo, dijo Guha, pero ensamblarlo "es un desafío de ingeniería enorme, enorme". Con este objetivo en mente, los científicos de los Países Bajos han tenido éxito al enredar tres partículas en una red que abarca dos laboratorios separados, aunque a diferencia del equipo de Gu, no estaban enfocados en demostrar la no localidad.
Este trabajo sobre el entrelazamiento de tres vías comenzó como "simplemente un fenómeno interesante", dijo Bierhorst. Pero "cuando tienes algo que la mecánica cuántica puede hacer que es imposible de hacer de otra manera, eso abrirá todo tipo de nuevas posibilidades tecnológicas que pueden explotarse de formas imprevistas".
Por ahora, algunos laboratorios han demostrado la no localidad de cuatro vías entre partículas que están muy juntas. “Estos experimentos son bastante especulativos en este momento. Tienes que hacer muchas suposiciones”, dijo Bierhorst.
Los experimentos de tres vías todavía se basan en algunas suposiciones también. Los premios Nobel pasaron medio siglo descartando esas lagunas en sus experimentos bidireccionales, y finalmente lo lograron en 2017. Pero hemos avanzado mucho desde entonces tecnológicamente, dijo Renner.
“Lo que [tomó] décadas antes ahora sucederá en un año más o menos”, dijo.
