El IGFAE experimenta con la teletransportación cuántica de información para abrir nuevas puertas a la criptografía del futuro
La paradoja de las tecnologías cuánticas como la mayor amenaza y, a la vez, la única solución para garantizar la seguridad de las comunicaciones en el futuro es un enorme y apasionante campo de estudio para la comunidad científica. La teletransportación o teleportación cuántica, con la que el IGFAE está experimentando, se revela como una herramienta de gran potencial para contribuir a la construcción de infraestructuras de comunicación de alta seguridad como la que proyecta el Plan Complementario de Comunicación Cuántica (PCCC)
El 8 de septiembre de 1966 se emitió el primer capítulo de Star Trek en el que aparecía su famoso transportador, una tecnología que permitía a sus protagonistas teletransportarse instantáneamente de un lugar a otro. No sabemos si los guionistas de la versión original de esta icónica serie tenían nociones de física cuántica, pero lo que sí sabemos es que sus fantasías de teletransportación fueron la representación máxima de la ciencia ficción para más de una generación.
Juan Santos
Quién sabe lo que sucederá en el futuro, pero, al menos según las leyes físicas actuales, casi seis décadas después esto sigue siendo ciencia ficción. No es posible hacerlo con personas u objetos, pero la novedad es que sí es viable cuando se trata de información, gracias a la mecánica cuántica. “En lugar de transferir el objeto en sí, lo que se transmite es su información, usando partículas entrelazadas cuánticamente. Aunque es un proceso real, no es instantáneo y sigue respetando las limitaciones de la velocidad de la luz”, explica Juan Santos, investigador del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universidade de Santiago de Compostela (USC).
Se trata de la teletransportación o teleportación cuántica (aunque significan lo mismo, esta segunda denominación es la más común en el entorno académico), un complejo fenómeno que se explora desde la comunidad científica con todas las limitaciones que implica un campo de conocimiento reciente. Las primeras investigaciones datan de la década de los noventa del siglo pasado, aunque la relevancia de su potencial para contribuir de manera decisiva al avance de las tecnologías cuánticas ya es indiscutible.
Desde el Departamento de Física de Partículas en el Área de Física Teórica del IGFAE, Juan Santos busca poner su grano de arena en este campo abriendo nuevos paradigmas desde las bases del conocimiento. “Es importante señalar que este trabajo no es experimental, sino teórico. Está inspirado en conjeturas y relaciones aún no completamente entendidas entre la gravedad y la física cuántica”, precisa. “En particular, nos apoyamos en la holografía, una propuesta teórica que sugiere que la gravedad en espacios curvos está relacionada con sistemas cuánticos en menos dimensiones. Estas ideas, aunque son especulativas, ofrecen pistas prometedoras sobre cómo la información podría propagarse de manera eficiente aprovechando el caos cuántico”.
Puede sonar extraño que en el caos resida la clave para hallar seguridad en el transporte de información, pero el mundo cuántico se rige por leyes que con frecuencia resultan paradójicas desde nuestra lógica lineal. En concreto, investigadores como Santos quieren entender cómo se puede aprovechar la dinámica caótica de un sistema físico para procesar y transferir información. Su objetivo final es mejorar la comprensión de lo que por el momento son conjeturas teóricas para desarrollar nuevas formas de manipular la información, con implicaciones potencialmente profundas para la computación y, sobre todo, la comunicación cuánticas.
El caos detrás del orden
En física cuántica, el caos se refiere a la velocidad con la que una perturbación en una parte concreta de un sistema de muchos cuerpos se distribuye por todo él. “En teleportación cuántica, este caos se encarga de disolver la señal que se quiere enviar a través del sistema emisor. Aunque parece que la señal se ha perdido porque queda diseminada por todo el sistema, en realidad sigue estando allí, solo que de forma codificada”, explica Santos.
Para entender esto es necesario remitirse a una de las propiedades clave de la mecánica cuántica: el entrelazamiento, que aparece en sistemas cuánticos de más de una partícula. En esencia, es un fenómeno por el que dos o más partículas cuánticas se vuelven interdependientes, de forma que el estado de una está directamente relacionado con el de la otra u otras, sin importar la distancia que las separa.
“Las reglas de la cuántica permiten establecer correlaciones entre partículas más fuertes que en física clásica. A la hora de realizar la teleportación, se utiliza un tipo de estado cuántico altamente entrelazado, compartido entre el emisor y el receptor. Una vez que las dos partes están listas, la señal que se quiere enviar se introduce en el sistema emisor y acto seguido se disuelve en él debido a su dinámica caótica”, expone el investigador del IGFAE. Esto hace que, de forma temporal, la información no se pueda recuperar sin tener acceso a la totalidad del sistema. “Se puede entender como una especie de encriptación que aparece de forma natural debido al caos”.
Esto ocurre porque la señal es inaccesible hasta el momento en el que reaparece. La clave para recuperar la información está en que el entrelazamiento hará que el sistema receptor actúe como un espejo del emisor “en el que las cosas ocurren marcha atrás, como si de rebobinar una película se tratase”, ilustra Santos para explicar cómo reaparece la información por el sistema receptor.
El hecho de que el caos se pueda utilizar como herramienta de encriptación anticipa posibles aplicaciones para proteger la seguridad de comunicaciones a gran escala. “En particular, podríamos pensar en un internet cuántico en el que un conjunto de dispositivos conectados es el sistema con dinámicas caóticas. Así, basándose en este tipo de protocolos, quizás se podría enviar información de manera segura, dado que solo sería accesible para el emisor y el receptor”, describe el investigador. Por lo tanto, los resultados de este proyecto podrían contribuir a resolver la gran paradoja que implica que las tecnologías cuánticas sean, a la vez, la mayor amenaza y la solución para la seguridad de nuestras comunicaciones.
Simulación cuántica
Los experimentos que forman parte de esta investigación son solo teóricos porque aún es imposible realizar los procesos físicamente en un laboratorio, en gran medida porque la teleportación cuántica mediada por caos requiere un control muy preciso de sistemas cuánticos lo más grandes posibles. Mientras no se llegue a ese punto, la solución es simular estos fenómenos en un computador. Y para simular procesos cuánticos, hay que usar computadores cuánticos.
“En una simulación clásica, un ordenador convencional hace los cálculos matemáticos necesarios para resolver un problema físico. Lo que ocurre es que, al simular sistemas cuánticos, los recursos computacionales necesarios aumentan de manera exponencial, imposibilitando así estudiar sistemas lo suficientemente grandes”, explica Santos. La alternativa es la simulación cuántica, capaz de recrear estos sistemas aplicando precisamente las leyes de la física cuántica.
En cualquier caso, tratándose de algo tan nuevo y complejo, el investigador añade que “hace falta creatividad a la hora de diseñar el experimento, no siempre es evidente qué clase de procesos hay que realizar para sacar conclusiones significativas”.
El IGFAE ya cuenta para este proyecto con la cooperación del Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) y la Universidad de Grenoble y confía en ampliar el número de colaboradores en el futuro. Hay mucho trabajo por delante para una investigación que se desarrolla en el marco del Plan Complementario de Comunicación Cuántica (PCCC) desde sus cimientos. “El PCCC tiene como objetivo principal impulsar la industria de la comunicación cuántica en España para crear una infraestructura de alta seguridad. Nuestra investigación no aborda el despliegue de esta red a corto o medio plazo, sino que se basa más en buscar los fenómenos físicos sobre los que se podrá sustentar a más largo plazo”, precisa Santos.
El futuro cuántico
Aunque las reglas de la mecánica cuántica están establecidas desde hace casi un siglo, la fase de entender cómo utilizarlas para tratar información es muy reciente. “Esto hace que todo sea muy volátil y obliga a estudiar día a día las contribuciones de otros científicos, aunque no hagan exactamente lo mismo que nosotros, y buscar cómo incorporar sus ideas o técnicas en nuestro trabajo”, asegura Juan Santos.
Esta efervescencia científica explica que, en un ámbito tan dinámico como el de las tecnologías cuánticas, incluso los campos de conocimiento más incipientes y teóricos presenten unas perspectivas de evolución muy prometedoras. Según el investigador, “la teleportación cuántica mediada por caos es un campo de estudio relativamente nuevo y solo en los dos o tres últimos años se ha comenzado a comprender su fundamentación teórica. En los próximos cinco años espero que esta comprensión avance significativamente, lo que podría permitir que los primeros experimentos demuestren su funcionamiento en la práctica”.
Santos espera que las aportaciones que está haciendo el equipo del IGFAE sobre la preparación del estado inicial para la teleportación y la comprensión del papel de la dinámica caótica contribuyan a poner el centro en el mapa. “En Santiago somos muy nuevos en este campo, por lo que estamos en el punto de posicionarnos y empezar a hacernos conocidos en la comunidad”.
Contacto: juansantos.suarez@usc.es ; tf.pena@usc.es
Webs:
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https://citius.gal/team/tomas-fernandez-pena
Publicaciones:
Faílde, D., Santos-Suárez, J., Herrera-Martí, D. A., & Mas, J. (2023). Hamiltonian Forging of a Thermofield Double. arXiv preprint arXiv:2311.10566. https://arxiv.org/abs/2311.10566
Berenguer, M., Dey, A., Mas J, Santos-Suárez, J., Ramallo, A.V. (2024). Floquet SYK wormholes. arXiv:2404.08394. https://arxiv.org/abs/2404.08394
