O IGFAE experimenta coa teletransportación cuántica de información para abrir novas portas á criptografía do futuro
O paradoxo das tecnoloxías cuánticas como a maior ameaza e, á vez, a única solución para garantir a seguridade das comunicacións no futuro é un enorme e apaixonante campo de estudo para a comunidade científica. A teletransportación ou teleportación cuántica, coa que o IGFAE está a experimentar, revélase como unha ferramenta de gran potencial para contribuír á construción de infraestruturas de comunicación de alta seguridade como a que proxecta o Plan Complementario de Comunicación Cuántica (PCCC)
O 8 de setembro de 1966 emitiuse o primeiro capítulo de Star Trek no que aparecía o seu famoso transportador, unha tecnoloxía que lles permitía aos seus protagonistas teletransportarse instantaneamente dun lugar a outro. Non sabemos se os guionistas da versión orixinal desta icónica serie tiñan nocións de física cuántica, pero o que si sabemos é que as súas fantasías de teletransportación foron a representación máxima da ciencia ficción para máis dunha xeración.
Juan Santos
Quen sabe o que sucederá no futuro, pero, polo menos segundo as leis físicas actuais, case seis décadas despois isto segue sendo ciencia ficción. Non é posible facelo con persoas ou obxectos, pero a novidade é que si é viable cando se trata de información, grazas á mecánica cuántica. “En lugar de transferir o obxecto en si, o que se transmite é a súa información, usando partículas entrelazadas cuánticamente. Aínda que é un proceso real, non é instantáneo e segue respectando as limitacións da velocidade da luz”, explica Juan Santos, investigador do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) da Universidade de Santiago de Compostela (USC).
Trátase da teletransportación ou teleportación cuántica (aínda que significan o mesmo, esta segunda denominación é a máis común na contorna académica), un complexo fenómeno que se explora dende a comunidade científica con todas as limitacións que implica un campo de coñecemento recente. As primeiras investigacións datan da década dos noventa do século pasado, aínda que a relevancia do seu potencial para contribuír de maneira decisiva ao avance das tecnoloxías cuánticas xa é indiscutible.
Dende o Departamento de Física de Partículas na Área de Física Teórica do IGFAE, Juan Santos busca poñer o seu gran de area neste campo abrindo novos paradigmas dende as bases do coñecemento. “É importante sinalar que este traballo non é experimental, senón teórico. Está inspirado en conxecturas e relacións aínda non completamente entendidas entre a gravidade e a física cuántica”, precisa. “En particular, apoiámonos na holografía, unha proposta teórica que suxire que a gravidade en espazos curvos está relacionada con sistemas cuánticos en menos dimensións. Estas ideas, aínda que son especulativas, ofrecen pistas prometedoras sobre como a información podería propagarse de maneira eficiente aproveitando o caos cuántico”.
Pode soar estraño que no caos resida a clave para achar seguridade no transporte de información, pero o mundo cuántico réxese por leis que con frecuencia resultan paradoxais dende a nosa lóxica lineal. En concreto, investigadores como Santos queren entender como se pode aproveitar a dinámica caótica dun sistema físico para procesar e transferir información. O seu obxectivo final é mellorar a comprensión do que polo momento son conxecturas teóricas para desenvolver novas formas de manipular a información, con implicacións potencialmente profundas para a computación e, sobre todo, a comunicación cuánticas.
O caos detrás da orde
En física cuántica, o caos refírese á velocidade coa que unha perturbación nunha parte concreta dun sistema de moitos corpos se distribúe por todo el. “En teleportación cuántica, este caos encárgase de disolver o sinal que se quere enviar a través do sistema emisor. Aínda que parece que o sinal se perdeu porque queda diseminado por todo o sistema, en realidade segue estando alí, só que de forma codificada”, explica Santos.
Para entender isto é necesario remitirse a unha das propiedades clave da mecánica cuántica: o entrelazamento, que aparece en sistemas cuánticos de máis dunha partícula. En esencia, é un fenómeno polo que dúas ou máis partículas cuánticas se volven interdependentes, de forma que o estado dunha está directamente relacionado co da outra ou outras, sen importar a distancia que as separa.
“As regras da cuántica permiten establecer correlacións entre partículas máis fortes que na física clásica. Á hora de realizar a teleportación, utilízase un tipo de estado cuántico altamente entrelazado, compartido entre o emisor e o receptor. Unha vez que as dúas partes están listas, o sinal que se quere enviar introdúcese no sistema emisor e acto seguido disólvese nel debido á súa dinámica caótica”, expón o investigador do IGFAE. Isto fai que, de forma temporal, a información non se poida recuperar sen ter acceso á totalidade do sistema. “Pódese entender como unha especie de encriptación que aparece de forma natural debido ao caos”.
Isto ocorre porque o sinal é inaccesible ata o momento no que reaparece. A clave para recuperar a información está en que o entrelazamento fará que o sistema receptor actúe como un espello do emisor “no que as cousas ocorren marcha atrás, coma se de rebobinar unha película se tratase”, ilustra Santos para explicar como reaparece a información polo sistema receptor.
O feito de que o caos se poida utilizar como ferramenta de encriptación anticipa posibles aplicacións para protexer a seguridade de comunicacións a grande escala. “En particular, poderiamos pensar nunha Internet cuántica na que un conxunto de dispositivos conectados é o sistema con dinámicas caóticas. Así, baseándose neste tipo de protocolos, quizais se podería enviar información de maneira segura, dado que só sería accesible para o emisor e o receptor”, describe o investigador. Por tanto, os resultados deste proxecto poderían contribuír a resolver o gran paradoxo que implica que as tecnoloxías cuánticas sexan, á vez, a maior ameaza e a solución para a seguridade das nosas comunicacións.
Simulación cuántica
Os experimentos que forman parte desta investigación son só teóricos porque aínda é imposible realizar os procesos fisicamente nun laboratorio, en gran medida porque a teleportación cuántica mediada por caos require un control moi preciso de sistemas cuánticos o máis grandes posibles. Mentres non se chegue a ese punto, a solución é simular estes fenómenos nun computador. E para simular procesos cuánticos, hai que usar computadores cuánticos.
“Nunha simulación clásica, un computador convencional fai os cálculos matemáticos necesarios para resolver un problema físico. O que ocorre é que, ao simular sistemas cuánticos, os recursos computacionais necesarios aumentan de maneira exponencial, imposibilitando así estudar sistemas o suficientemente grandes”, explica Santos. A alternativa é a simulación cuántica, capaz de recrear estes sistemas aplicando precisamente as leis da física cuántica.
En calquera caso, tratándose de algo tan novo e complexo, o investigador engade que “fai falta creatividade á hora de deseñar o experimento, non sempre é evidente que clase de procesos hai que realizar para sacar conclusións significativas”.
O IGFAE xa conta para este proxecto coa cooperación do Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) e a Universidade de Grenoble e confía en ampliar o número de colaboradores no futuro. Hai moito traballo por diante para unha investigación que se desenvolve no marco do Plan Complementario de Comunicación Cuántica (PCCC) dende os seus cimentos. “O PCCC ten como obxectivo principal impulsar a industria da comunicación cuántica en España para crear unha infraestrutura de alta seguridade. A nosa investigación non aborda o despregamento desta rede a curto ou medio prazo, senón que se basea máis en buscar os fenómenos físicos sobre os que se poderá sustentar a máis longo prazo”, precisa Santos.
O futuro cuántico
Aínda que as regras da mecánica cuántica están establecidas dende hai case un século, a fase de entender como utilizalas para tratar información é moi recente. “Isto fai que todo sexa moi volátil e obriga a estudar día a día as contribucións doutros científicos, aínda que non fagan exactamente o mesmo que nós, e buscar como incorporar as súas ideas ou técnicas no noso traballo”, asegura Juan Santos.
Esta efervescencia científica explica que, nun ámbito tan dinámico como o das tecnoloxías cuánticas, incluso os campos de coñecemento máis incipientes e teóricos presenten unhas perspectivas de evolución moi prometedoras. Segundo o investigador, “a teleportación cuántica mediada por caos é un campo de estudo relativamente novo e só nos dous ou tres últimos anos se comezou a comprender a súa fundamentación teórica. No próximos cinco anos espero que esta comprensión avance significativamente, o que podería permitir que os primeiros experimentos demostren o seu funcionamento na práctica”.
Santos espera que as achegas que está a facer o equipo do IGFAE sobre a preparación do estado inicial para a teleportación e a comprensión do papel da dinámica caótica contribúan a poñer o centro no mapa. “En Santiago somos moi novos neste campo, polo que estamos no punto de posicionarnos e empezar a facernos coñecidos na comunidade”.
Contacto: juansantos.suarez@usc.es ; tf.pena@usc.es
Webs:
https://es.linkedin.com/in/juansansu
https://citius.gal/team/tomas-fernandez-pena
Publicacións:
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
