Red cuántica

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Una red cuántica  es una red de comunicación que protege los datos transmitidos utilizando las leyes fundamentales de la mecánica cuántica. Es una implementación práctica de la llamada criptografía cuántica . Las redes cuánticas forman un elemento importante de los sistemas de computación cuántica y criptografía cuántica . Permiten el transporte de información cuántica entre sistemas cuánticos separados físicamente. En la computación cuántica distribuida, los nodos de una red pueden procesar información actuando como puertas cuánticas . La transmisión segura de datos se puede implementar utilizando algoritmos de distribución de claves cuánticas .

En las redes cuánticas que utilizan fibra óptica o espacio libre como medio de transmisión, la transmisión de estados cuánticos puros en forma de fotones a largas distancias juega un papel importante .

La idea de las redes cuánticas se ha discutido activamente después de experimentos exitosos de teletransportación cuántica[ especificar ] .

Aplicación

Distribución de claves cuánticas

Se han desarrollado muchas redes cuánticas existentes para admitir la distribución de claves cuánticas (QKD) entre entornos informáticos clásicos. Esta aplicación de redes cuánticas facilita compartir una clave de cifrado secreta entre dos partes. A diferencia de los algoritmos de distribución de claves clásicos , como el algoritmo de intercambio de claves Diffie-Hellman , la distribución de claves cuánticas brinda seguridad a través de propiedades físicas en lugar de la dificultad de un problema matemático. El primer protocolo de distribución de claves cuánticas, BB84 , fue propuesto por Charles Bennett y Gilles Brassard en 1984 y se ha implementado en muchas redes cuánticas de investigación. En este protocolo, los qubits se envían de un lado a otro a través de una red cuántica insegura. Debido a las propiedades de la mecánica cuántica y al teorema de no clonación , un espía no puede determinar la clave sin ser descubierto por el emisor y el receptor. Mientras que el protocolo BB84 se basa en una superposición de estados de qubit para detectar escuchas ilegales, otros protocolos usan qubits entrelazados . Estos son los protocolos E91 propuestos por Arthur Eckert y BBM92 propuestos por Charles Bennet , Gilles Brassard y David Mermin

Transferencia de estado cuántico

En un gran sistema de computación cuántica, muchas computadoras cuánticas individuales pueden interactuar y transmitir datos a través de una red. Con tal interacción, es beneficioso para la red admitir la transmisión de qubits entrelazados . Considere el siguiente escenario: una computadora cuántica, cada una contiene qubits . En una red clásica, se necesitaría un poco de información para transmitir el estado completo de una sola computadora cuántica. Sin embargo, usando una red cuántica, el estado se puede transmitir usando qubits . Del mismo modo, si es posible lograr el entrelazamiento entre todas las computadoras en una red, el sistema en su conjunto tendrá espacios de estado unificados, en comparación con las computadoras cuánticas conectadas clásicamente.

Método de trabajo

Capa física

La principal forma en que las redes cuánticas interactúan a largas distancias es mediante el uso de redes ópticas y qubits fotónicos . Las redes ópticas tienen la ventaja de reutilizar la fibra existente . Y las redes libres pueden implementarse de tal manera que puedan transmitir información cuántica "por el aire", es decir, sin el uso de medios de propagación estructurados.

Redes de fibra óptica

Las redes ópticas se pueden implementar utilizando equipos de telecomunicaciones y telecomunicaciones existentes. En el lado del emisor, se puede crear una fuente de fotones individuales atenuando en gran medida un láser de telecomunicaciones estándar para que el número medio de fotones emitidos por pulso sea inferior a uno. Para obtener este efecto se utiliza un fotodiodo de avalancha . También se pueden utilizar varios métodos de ajuste de fase y polarización, como divisores de haz e interferómetros . En el caso de los protocolos basados ​​en entrelazamiento, los fotones entrelazados se generan a través de la dispersión paramétrica espontánea . En ambos casos, la fibra de telecomunicaciones se puede multiplexar para enviar señales de sincronización y control no cuánticas.

Redes de espacio libre

Las redes cuánticas de espacio libre son similares a las redes de fibra óptica, pero se basan en el ángulo de visión entre las partes que se comunican en lugar de utilizar una conexión de fibra óptica . Las redes de espacio libre suelen admitir tasas de transmisión más altas que las redes de fibra óptica y no tienen en cuenta el cambio de polarización causado por la fibra .

Electrodinámica cuántica de una cavidad

Los láseres de telecomunicaciones y la dispersión paramétrica espontánea combinados con fotodetectores se pueden utilizar para la distribución de claves cuánticas. Sin embargo, para los sistemas cuánticos entrelazados, es importante almacenar y retransmitir información cuántica sin destruir los estados subyacentes. La electrodinámica cuántica de una cavidad es uno de los métodos posibles para resolver este problema. Aquí, los estados cuánticos fotónicos pueden transferirse hacia y desde estados cuánticos atómicos almacenados en átomos individuales en cavidades ópticas. Además de crear entrelazamientos remotos entre átomos distantes, esto permite la transferencia de estados cuánticos entre átomos individuales usando fibra óptica .

Canales ruidosos

Repetidores cuánticos

La transmisión de datos a largas distancias se ve obstaculizada por los efectos de la pérdida de señal y la decoherencia inherentes a la mayoría de los medios de transporte, como la fibra óptica. La transmisión de datos clásica usa amplificadores para mejorar la señal durante la transmisión, sin embargo, en las redes cuánticas, según el teorema de no clonación, no se pueden usar amplificadores. Una alternativa a los amplificadores en las redes cuánticas es la teletransportación cuántica , que transmite información cuántica (qubits) a un receptor. Esto evita los problemas asociados con el envío de fotones individuales a través de una línea de transmisión larga y de alta pérdida . Sin embargo, la teletransportación cuántica requiere un par de qubits entrelazados , uno en cada extremo de la línea de transmisión. Los repetidores cuánticos permiten crear entrelazamientos en nodos remotos sin enviar físicamente un qubit entrelazado a lo largo de toda la distancia.

En este caso, la red cuántica consta de muchos canales de comunicación cortos , de decenas o cientos de kilómetros de largo. En el caso más simple, con un repetidor, se crean dos pares de qubits entrelazados: uno ubicado en el emisor y el repetidor, y el segundo par en el repetidor y el receptor, respectivamente. Estos qubits entrelazados iniciales son fáciles de crear, como a través de la dispersión paramétrica espontánea , transfiriendo físicamente un qubit a un nodo vecino. En este caso, el repetidor puede medir el estado de Bell en qubits y así teletransportar el estado cuántico a . Esto tiene el efecto de "intercambiar" el enredo, de modo que ahora están enredados a una distancia 2 veces más fuerte que los pares de qubits entrelazados iniciales. Las redes de dichos repetidores se pueden utilizar tanto de forma lineal como jerárquica para crear enredos en largas distancias.

Corrección de errores

Los errores de transmisión de datos se pueden dividir en dos tipos: errores de pérdida (debido a las propiedades de la fibra/medios) y errores de operación (como despolarización, desfase, etc.). Si bien la redundancia se puede utilizar para detectar y corregir errores en una red clásica, el teorema de no clonación evita la creación de qubits redundantes. Por ello, se introducen otros tipos de corrección de errores, como el código Shor o alguno de los algoritmos más generales y eficientes. Su principio de funcionamiento es distribuir información cuántica a través de qubits entrelazados múltiples para que se puedan corregir tanto los errores de rendimiento como los errores de pérdida.

Además de la corrección de errores cuánticos, las redes cuánticas pueden utilizar la corrección de errores clásica en casos especiales, como la distribución de claves cuánticas. En estos casos, el objetivo de la transmisión cuántica es transmitir de forma fiable una cadena de bits clásicos. Por ejemplo, se puede aplicar un código Hamming a una cadena de bits antes de codificar y transmitir datos en una red cuántica.

Redes clásicas que utilizan la distribución de claves cuánticas para la criptografía clásica

Dos empresas, idQuantique( Suiza ), MagiQTech( EE . UU .) ofrecen dispositivos disponibles en el mercado para la distribución de claves cuánticas y la criptografía clásica [1] .

Los científicos del Kazan Quantum Center KNITU-KAI y la Universidad ITMO lanzaron conjuntamente un segmento piloto de la primera red cuántica de múltiples nodos en Rusia (4 nodos, alrededor de cien kbps de una secuencia cuántica tamizada, líneas de unos pocos kilómetros de largo). [2]

En China, en noviembre de 2016, se completó la creación de una línea de comunicación cuántica.[ término desconocido ][ aclarar ] 712 kilómetros de largo Hefei-Shanghai con 11 estaciones, la construcción tomó 3 años. Según Chen Yu'ao , está previsto que sobre esta base se cree una línea Beijing-Shanghai con una longitud total de unos 2 mil km [3] [4] [5] .

El "Internet" cuántico

Se están realizando propuestas para crear redes cuánticas en las que los nodos almacenarían estados cuánticos y los intercambiarían a través de una "red cuántica" para crear sistemas entrelazados cuánticos distribuidos geográficamente [6] .

Telefonía cuántica

En mayo de 2019, científicos rusos del Centro de Investigación Científica y Desarrollo Avanzado de la empresa Infotex y del Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Estatal de Moscú, que lleva el nombre de M.V. Lomonosov , realizaron con éxito pruebas públicas del primer teléfono cuántico ruso ViPNet QSS Phone, que forma parte del complejo de telefonía segura desarrollado e implementado por ellos ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS). Los organizadores celebraron la primera sesión de comunicación de voz, protegida por distribución de clave cuántica , entre las oficinas de Infotex y el Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Estatal de Moscú [7] . El teléfono cuántico doméstico ViPNet QSS Phone, en el que se ha trabajado durante más de tres años, no está sujeto a ataques conocidos utilizando computadoras cuánticas. El éxito de las pruebas fue confirmado por especialistas del Centro de Competencia de la Iniciativa Tecnológica Nacional (NTI) "Centro de Tecnologías Cuánticas". Las instalaciones de telefonía cuántica (complejos ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) y teléfonos cuánticos ViPNet QSS Phone para ellos) comenzarán a llegar a la venta en 2020 [8] .

Véase también

Notas

  1. ↑ Antonello Cutolo, Photonics for Safety and Security , 2013, ISBN 9789814412971 . Página 264 “ff Los sistemas de distribución de llaves Quantum basados ​​en DV están a la venta en MagiQ Tech. (EE.UU.) e id-Quantique (Suiza)"
  2. ↑ Universidad ITMO. Las universidades ITMO y KAI están lanzando la primera red cuántica de múltiples nodos del país . Portal oficial de la Universidad ITMO. Consultado el 22 de agosto de 2016. Archivado desde el original el 18 de agosto de 2016.
  3. ↑ PEKÍN, 25 de noviembre - RIA Novosti, Ivan Bulatov. Los medios informaron que China construirá una nueva línea de comunicación cuántica . https://ria.ru+ (25 de noviembre de 2016). Fecha de acceso: 26 de noviembre de 2016. Archivado desde el original el 25 de noviembre de 2016.
  4. ↑ China lanza la línea de comunicación cuántica más larga del mundo - Internacional - The Hindu . Consultado el 26 de noviembre de 2016. Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2016.
  5. ↑ Enlace ultraseguro en línea | Diario de Shanghái . Consultado el 26 de noviembre de 2016. Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2016.
  6. ↑ Internet cuántica: HJ Kimble, Internet cuántica. Naturaleza, vol. 453. (2008) págs. 1023-1030. Archivado el 18 de agosto de 2016 en Wayback Machine .
  7. ↑ La versión comercial del primer teléfono cuántico ruso se probó con éxito en Moscú . TASS. Consultado el 28 de mayo de 2019. Archivado desde el original el 28 de mayo de 2019.
  8. ↑ Experto en TI: CCT e InfoTeKS demostraron el funcionamiento del primer teléfono cuántico de Rusia . www.it-world.ru Consultado el 28 de mayo de 2019. Archivado desde el original el 28 de mayo de 2019.

Literatura

Enlaces