La vida en línea es insegura. Los delincuentes pueden piratear cuentas bancarias o robar identidades personales, y la IA está ayudando a que estos ataques se vuelvan más sofisticados. La criptografía cuántica utiliza las reglas de la física cuántica para proporcionar una defensa prometedora para proteger las comunicaciones contra la privacidad. Sin embargo, construir una Internet cuántica funcional todavía implica importantes desafíos técnicos. Un equipo del Instituto de Óptica de Semiconductores e Interfaces Funcionales (IHFG) de la Universidad de Stuttgart ha logrado avances significativos en uno de los componentes más difíciles: el “repetidor cuántico”.
Su investigación muestra comunicación de la naturaleza.
Puntos cuánticos como plataformas en miniatura para la transferencia de datos
“Por primera vez en todo el mundo hemos conseguido transferir información cuántica entre fotones procedentes de dos puntos cuánticos diferentes”, afirmó el profesor Peter Mitchler, director y portavoz adjunto del IHFG. Quantenrepeater.Net (QR.N) Proyecto de Investigación. Para comprender por qué esto es importante, es útil observar cómo funciona la comunicación. Ya sea que uno envíe un mensaje de WhatsApp o transmita un video, los datos siempre constan de ceros y unos. La comunicación cuántica sigue un concepto similar, pero los fotones individuales actúan como portadores de información. Un fotón cero o uno está codificado en la dirección de polarización (es decir, su orientación en las direcciones horizontal y vertical o una superposición de ambas). Como los fotones se comportan según la mecánica cuántica, su polarización no se puede medir sin dejar rastros detectables. Cualquier intento de interceptar el mensaje quedará expuesto.
Preparando redes cuánticas para fibra óptica
Otra cuestión importante es la compatibilidad con la infraestructura de Internet actual. Una Internet cuántica asequible dependería de las mismas fibras ópticas que se utilizan ahora. Sin embargo, la luz que viaja a través de la fibra sólo puede transmitirse una distancia limitada. Las señales convencionales se actualizan aproximadamente cada 50 km mediante un amplificador óptico. La información cuántica no se puede amplificar ni copiar, lo que significa que este método no funciona. En cambio, la física cuántica permite transferir información de un fotón a otro siempre que la información en sí siga siendo desconocida. Este fenómeno se llama teletransportación cuántica.
Desarrollo de repetidores cuánticos para transmisión a larga distancia
Para aprovechar la teletransportación cuántica, los científicos están diseñando repetidores cuánticos que pueden renovar la información cuántica antes de que desaparezca en la fibra. Estos repetidores actuarán como nodos esenciales en una Internet cuántica. Fueron difíciles de hacer. La teletransportación requiere que los fotones sean casi idénticos en propiedades como el tiempo y el color. Estos fotones son difíciles de crear porque provienen de fuentes distintas. “Nunca antes se habían teletransportado cuantos de luz procedentes de diferentes puntos cuánticos porque es muy complicado”, afirma Tim Strobel, científico del IHFG y primer autor del estudio.
Como parte de QR.N, su equipo ha desarrollado fuentes de luz semiconductoras que emiten fotones muy similares entre sí. “En estas islas de semiconductores existen ciertos niveles de energía fijos, como en un átomo”, dijo Strobel. Esta configuración permite la producción de fotones discretos con propiedades bien definidas. “Nuestros socios del Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido de Dresde han desarrollado puntos cuánticos que son sólo ligeramente diferentes”, añadió. Esto hace posible producir fotones casi idénticos en dos ubicaciones separadas.
Teletransportar información entre fotones de diferentes fuentes.
En la Universidad de Stuttgart, investigadores han logrado teletransportar el estado de polarización de un fotón de un punto cuántico a un fotón producido por un segundo punto cuántico. Un punto emite un solo fotón y el otro produce un par de fotones entrelazados. “Enredado” significa que dos fotones comparten un único estado cuántico aunque estén físicamente separados. Un fotón del par viaja hasta el segundo punto cuántico e interactúa con su fotón. Cuando los dos se superponen, su superposición transfiere información del fotón original al compañero distante del par entrelazado.
Un componente clave de este logro fue el uso de dispositivos “convertidores de frecuencia cuánticos” que ajustan pequeños desajustes de frecuencia entre fotones. Estos convertidores fueron diseñados por un equipo dirigido por el experto en óptica cuántica, el profesor Christoph Becher de la Universidad de Sarre.
Trabajando hacia distancias más largas y mayor precisión
“La transferencia de información cuántica entre fotones de diferentes puntos cuánticos es un paso importante para salvar distancias mayores”, explica Mishler. En este experimento se conectaron dos puntos cuánticos mediante unos 10 metros de fibra óptica. “Pero estamos trabajando para lograr distancias sustancialmente mayores”, dijo Strobel.
Investigaciones anteriores ya han demostrado que los fotones de puntos cuánticos atrapados en el centro de Stuttgart pueden sobrevivir a una transmisión de 36 kilómetros. El equipo también pretende aumentar la tasa de éxito de la teletransportación, que actualmente es de poco más del 70%. Los cambios dentro de cada punto cuántico todavía causan pequeñas anomalías en los fotones.
“Queremos reducir esto mediante el avance de las técnicas de fabricación de semiconductores”, dijo Strobel. El Dr. Simone Luca Portalupi, líder del grupo del IHFG y uno de los coordinadores del estudio, añadió: “Lograr este experimento ha sido una ambición de larga data: estos resultados reflejan años de dedicación y progreso científico. Es emocionante ver cómo los experimentos centrados en la investigación básica están dando sus primeros pasos hacia la aplicación práctica”.
Un esfuerzo nacional para desarrollar tecnología de repetidor cuántico
La investigación sobre repetidores cuánticos recibe financiación del Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR)”Quantenrepeater.Net (QR.N)”. Coordinada por la Universidad del Sarre, la red QR.N está formada por 42 socios de universidades, institutos de investigación y la industria que colaboran para desarrollar y probar tecnología de repetidor cuántico en redes de fibra óptica. El programa se basa en los resultados del anterior “Quantenrepeater.Link”, apoyado por BTRMB (BTRMB, BFTR). Lo que ayudó a sentar las bases para la construcción de repetidores cuánticos en todo el país entre 2021 y 2024. Los científicos de la Universidad de Stuttgart desempeñaron un papel central en ambos esfuerzos.
Los experimentos de teletransportación cuántica fueron dirigidos por el Instituto de Óptica de Semiconductores e Interfaces Funcionales (IHFG) con contribuciones del Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido (IFW) en Dresde y el Grupo de Investigación de Óptica Cuántica de la Universidad de Sarre.
