Aunque los fotones entrelazados son increíblemente prometedores para la computación y las comunicaciones cuánticas, tienen una importante desventaja inherente. Después de un uso, simplemente desaparecen.
En un nuevo estudio, físicos de la Universidad Northwestern proponen una nueva estrategia para mantener la comunicación en una red cuántica impredecible y en constante cambio. Al reconstruir estas conexiones faltantes, los investigadores descubrieron que la red finalmente se establece en un estado estable, aunque divergente.
Los investigadores descubrieron que la clave radica en agregar una cantidad suficiente de conexiones para garantizar que la red siga funcionando. Conectar demasiadas conexiones tiene un coste elevado, lo que supone una pesada carga para los recursos. Pero agregar muy pocas conexiones da como resultado una red fragmentada que no puede satisfacer la demanda de los usuarios.
Los resultados podrían conducir a redes cuánticas mejor diseñadas para computación ultrarrápida y comunicaciones altamente seguras.
El estudio fue publicado hoy (23 de enero) en la revista. cartas de examen fisico.
“Muchos investigadores de todo el mundo están haciendo importantes esfuerzos para construir redes de comunicación cuánticas mejores y más grandes”, dijo Istvan Kovacs, de Northwestern, autor principal del estudio. “Pero tan pronto como una red cuántica se abre a los usuarios, se quema. Es como cruzar un puente y luego quemarlo detrás de ti. Sin intervención, la red muere rápidamente. Para abordar el problema, desarrollamos un modelo simple Después de cada evento de comunicación, agregamos una cantidad fija de enlaces entre los nodos desconectados. El evento mantenía la conectividad de la red”.
Kovács, experto en sistemas complejos, es profesor asistente de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern.
Una red de eslabones perdidos
Las redes cuánticas funcionan mediante entrelazamiento cuántico, un fenómeno en el que dos partículas están unidas, independientemente de la distancia entre ellas. Xiangi Meng, experto en comunicación cuántica y uno de los primeros autores del estudio, describe el entrelazamiento como un recurso “aterrador” pero eficaz. En el momento de la investigación, Meng era investigadora asociada en el grupo Kovács, pero ahora es profesora asistente de física en el Instituto Politécnico Rensselaer de Nueva York.
“El entrelazamiento cuántico es la conexión espeluznante que desafía el espacio-tiempo entre partículas cuánticas”, dijo Meng. “Es un dispositivo que permite que las partículas cuánticas se comuniquen entre sí, de modo que puedan realizar tareas complejas juntas y, al mismo tiempo, garantizar que ningún espía pueda interceptar sus mensajes”.
Sin embargo, cuando dos computadoras se comunican mediante enlaces enredados, los enlaces involucrados en esa comunicación se pierden. El proceso de comunicación en sí cambia el estado cuántico del vínculo y lo hace inutilizable para futuras comunicaciones.
“En la comunicación clásica, la infraestructura tiene capacidad suficiente para manejar muchísimos mensajes”, afirmó Kovács. “En una red cuántica, cada enlace sólo puede enviar una información. Luego se desmorona”.
Determinando el número mágico
Para comprender mejor cómo se comportan las redes en condiciones de cambio constante, Kovács y su equipo crearon un modelo simplificado de usuarios dentro de una red cuántica. Primero, los investigadores permitieron a los usuarios seleccionar aleatoriamente a otros usuarios con quienes interactuar. Luego, encuentran la ruta de comunicación más corta y eficiente entre estos usuarios y eliminan todos los enlaces a lo largo de esa ruta. Esto creó una “filtración de ruta”, donde la red se descompone gradualmente con cada evento de comunicación.
Tras descubrir este problema, Kovacs y su equipo intentaron encontrar una solución. A través del modelado, encontraron la cantidad correcta de enlaces para agregar después de cada evento de comunicación. Este número se extiende a ambos lados del límite crítico entre mantener una red y romperla. Sorprendentemente, el equipo descubrió que el número primo es simplemente la raíz cuadrada del número de usuarios. Si hay 1 millón de usuarios, por ejemplo, es necesario volver a conectar 1.000 enlaces por cada qubit de información enviado a través de la red.
“Sería natural esperar que este número crezca linealmente con el número de usuarios, o quizás cuadráticamente con el número de pares de usuarios que pueden comunicarse”, dijo Kovács. “Descubrimos que el número crítico es en realidad una fracción muy pequeña en comparación con el número de usuarios. Pero, si agregas menos que eso, la red se descompone y la gente no puede comunicarse”.
Kovács imagina que esta información podría ayudar a otros a diseñar una red cuántica mejor y más robusta que pueda resistir fallas. Se pueden agregar nuevos enlaces automáticamente cuando otros enlaces desaparecen, creando una red más resistente.
“La Internet clásica no fue construida para ser completamente robusta”, afirmó Kovács. “Surgió naturalmente debido a limitaciones tecnológicas y al comportamiento de los usuarios. No fue diseñado, simplemente sucedió. Pero ahora podemos hacerlo mejor con la Internet cuántica. Podemos diseñarla para que alcance su máximo potencial”.
