Nuestro país logra un nuevo avance en la investigación en tecnología cuántica, posible la implementación de redes cuánticas en la realidad

Según la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, recientemente, el equipo del profesor Pan Jianwei y sus colegas logró un avance importante en la investigación de redes cuánticas escalables. Wang Ye, Wan Yong, Zhang Qiang, Pan Jianwei y otros, en colaboración con el Instituto de Tecnología Cuántica de Jinan, el Instituto de Sistemas Microelectrónicos y Tecnología de la Información de la Academia de Ciencias de Shanghai, la Universidad de Hong Kong, la Universidad Tsinghua y otros investigadores, construyeron un módulo básico para repetidores cuánticos escalables, haciendo posible la existencia de redes cuánticas de larga distancia. Al mismo tiempo, Bao Xiaohui, Xu Feihu, Zhang Qiang, Pan Jianwei y otros, en colaboración con el Instituto de Tecnología Cuántica de Jinan, la Universidad Nacional de Singapur, la Universidad de Waterloo en Canadá y otros, lograron la transmisión de entrelazamiento de alta fidelidad a larga distancia entre nodos de un solo átomo, y sobre esa base, superaron los 100 kilómetros en la distancia de transmisión de distribución de claves cuánticas sin dependencia del dispositivo (DI-QKD), impulsando significativamente la aplicación práctica de esta tecnología. Los dos logros fueron publicados en las revistas académicas internacionales de autoridad “Nature” y “Science” los días 3 y 6 de febrero, hora de Beijing.

Estos avances representan otro hito importante en el campo de las comunicaciones cuánticas y redes cuánticas en nuestro país, tras el satélite cuántico “Micius”, marcando que las redes cuánticas ópticas basadas en entrelazamiento cuántico están pasando de la teoría a la realidad, ampliando aún más la ventaja internacional de nuestro país en este campo.

El objetivo final de la ciencia de la información cuántica es construir redes cuánticas eficientes y seguras: utilizando mediciones cuánticas precisas para detectar información con alta precisión, mediante comunicaciones cuánticas para garantizar la transmisión segura y eficiente de información, y mediante computación cuántica para acelerar exponencialmente el procesamiento de información, logrando un avance revolucionario en la comprensión del mundo material. Los elementos básicos para construir redes cuánticas son la distribución de entrelazamiento cuántico determinista a larga distancia; basándose en el entrelazamiento cuántico, no solo se puede lograr la transmisión segura de información clásica mediante distribución de claves cuánticas, sino también facilitar la interacción de información cuántica entre computadoras cuánticas y usuarios a través de la teleportación cuántica invisible.

Figura 1. Esquema de red cuántica

Las pérdidas inherentes en las fibras ópticas provocan que la eficiencia de transmisión del entrelazamiento cuántico disminuya exponencialmente con la distancia, constituyendo el mayor desafío para construir redes cuánticas escalables. Por ejemplo, tras transmitir directamente a través de 1000 kilómetros de fibra óptica estándar, la señal óptica se reducirá a una décima o vigésima parte de su intensidad original (una billonésima), lo que significa que incluso si se emiten 10 mil millones de pares de fotones entrelazados por segundo, en promedio solo se recibiría uno cada 300 años.

El esquema de repetidores cuánticos es una solución efectiva para superar las pérdidas en la transmisión por fibra: por ejemplo, en una línea de fibra de 1000 kilómetros, se puede colocar un repetidor cada 100 kilómetros, generar entrelazamiento entre nodos adyacentes, y mediante intercambio de entrelazamiento conectar los segmentos para distribuir entrelazamiento efectivo entre lugares remotos. Con este método, usando la misma tasa de emisión de fotones, se pueden recibir hasta 100 millones de pares de fotones entrelazados por segundo, aumentando la eficiencia en 100 mil millones de veces. Por ello, los repetidores cuánticos han sido durante mucho tiempo la línea de investigación más importante en redes cuánticas por fibra óptica.

Figura 2. Esquema del principio de repetidor cuántico. (1) Los nodos de repetición cercanos (por ejemplo, A y B, B y C, etc.) establecen entrelazamiento mediante interferencia de fotones. (2) La realización de intercambio de entrelazamiento en el nodo B puede crear entrelazamiento entre los nodos A y C, y así sucesivamente. (3) La extensión del rango de entrelazamiento se logra mediante múltiples niveles de intercambio, estableciendo finalmente entrelazamiento entre los nodos A y K en el extremo más lejano.

Ya en 1998, Pan Jianwei y su equipo demostraron por primera vez en el ámbito internacional la conexión de entrelazamiento cuántico. Desde entonces, diversos equipos de investigación nacionales e internacionales han logrado avances importantes. Sin embargo, un problema técnico crucial que ha persistido durante casi 30 años es: la vida útil del entrelazamiento es mucho menor que el tiempo necesario para generarlo, de modo que durante la vida del entrelazamiento, no es posible determinar con certeza la existencia del entrelazamiento adyacente, imposibilitando una conexión efectiva y limitando severamente la escalabilidad de los repetidores cuánticos.

Para abordar este problema central, el equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China desarrolló memorias cuánticas de iones confinados de larga vida, interfaces de comunicación ion-fotón de alta eficiencia y protocolos de entrelazamiento de fotón único de alta fidelidad, logrando un entrelazamiento cuántico de larga duración, con una vida útil de 550 ms, que supera significativamente el tiempo necesario para establecer entrelazamiento (450 ms), permitiendo así construir módulos básicos para repetidores cuánticos escalables y hacer posible una red cuántica de larga distancia.

Figura 3. Esquema del principio del módulo básico de repetidor cuántico escalable. (1) La experiencia consiste en memorias cuánticas de iones confinados de larga vida, módulos de conversión de frecuencia cuántica de alta eficiencia y módulos de interferencia de fotones únicos de alto contraste. (2) La tasa de establecimiento de entrelazamiento es de 2.226 Hz, es decir, un tiempo de espera de aproximadamente 450 ms. (3) La vida útil del entrelazamiento es de aproximadamente 550 ms.

Una aplicación directa de la distribución de entrelazamiento a larga distancia es la implementación de comunicaciones cuánticas confidenciales con el nivel de seguridad más alto en condiciones reales. Los esquemas tradicionales requieren calibración precisa de los parámetros del dispositivo para garantizar la seguridad práctica, lo cual puede ser incómodo en aplicaciones reales. Sin embargo, el esquema de distribución de claves cuánticas sin dependencia del dispositivo (DI-QKD) basado en entrelazamiento rompe esta limitación: incluso si los dispositivos cuánticos son completamente no confiables, siempre que las partes puedan establecer un entrelazamiento de alta calidad y verificar la violación de la desigualdad de Bell sin vulnerabilidades, se puede garantizar estrictamente la seguridad de la distribución de claves sin necesidad de calibrar con precisión los parámetros del dispositivo. Por ello, Gilles Brassard, uno de los fundadores de la criptografía cuántica y ganador del Premio Wolf 2018, calificó a DI-QKD como “el Santo Grial que los criptógrafos han buscado durante milenios”.

No obstante, la implementación experimental de DI-QKD presenta requisitos técnicos extremadamente estrictos. El entrelazamiento cuántico entre nodos remotos debe cumplir con las siguientes condiciones: (1) contar con una eficiencia de detección muy alta para cerrar efectivamente las vulnerabilidades por eficiencia del detector; (2) mantener una fidelidad del entrelazamiento muy alta para asegurar una violación significativa de la desigualdad de Bell. Debido a las pérdidas en fibras ópticas de larga distancia y al ruido del sistema, la mayoría de los experimentos anteriores a nivel internacional se limitaron a distancias cortas (generalmente de unos pocos metros a cientos de metros), muy por debajo de las necesidades reales.

Basándose en la tecnología de repetidores cuánticos escalables, el equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China logró además establecer con éxito entrelazamiento cuántico de alta fidelidad entre dos átomos de rubidio a distancia: en una línea de fibra de hasta 100 km, la fidelidad del entrelazamiento entre los nodos atómicos se mantuvo por encima del 90%, muy superior a los resultados anteriores internacionales. Sobre esta base, el equipo implementó distribución de claves cuánticas sin dependencia del dispositivo en una red de fibra urbana: en una línea de 11 km, completó análisis de seguridad y pruebas rigurosas basadas en datos limitados, elevando la distancia de transmisión aproximadamente 3000 veces respecto a los mejores resultados previos; en una línea de 100 km, demostró la viabilidad de generación de claves, superando en más de dos órdenes de magnitud los mejores experimentos internacionales anteriores.

Figura 4. Esquema del experimento DI-QKD a 100 km. Los átomos de cada extremo emiten fotones mediante un proceso de generación de fotones Rydberg, los fotones viajan por fibra óptica de larga distancia hasta el nodo central y se interferen. Tras detectar el evento previsto, los átomos en ambos extremos se proyectan en estados entrelazados a distancia, logrando así la distribución del entrelazamiento. Luego, los extremos realizan mediciones en bases aleatorias, cuyos resultados se usan para verificar la violación de la desigualdad de Bell y, tras la validación, se realiza el procesamiento de datos para generar claves seguras.

Estos avances han sido apoyados por el Proyecto de Ciencia y Tecnología de Gran Alcance, la Comisión Nacional de Ciencias Naturales, la Academia de Ciencias de China, y fondos de la provincia de Anhui, la ciudad de Hefei, la provincia de Shandong, Jinan, y la Oficina de Asistencia a la Investigación de Hong Kong, entre otros.

（Fuente: Caixin）