Transfieren de forma segura imágenes codificadas con un alfabeto de 15 dimensiones mediante una red cuántica

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La revista Nature Communications ha publicado recientemente una investigación realizada por científicos de la Universidad de Witwatersrand (Wits, Sudáfrica) y el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), que demuestra el transporte de una imagen impresa en un haz de luz a través de una red sin enviar físicamente la imagen, un paso importante hacia la realización de una red cuántica para la transmisión de información escrita con un alfabeto de alta dimensión.

Se demuestra el transporte de una imagen impresa en un haz de luz a través de una red sin enviar físicamente la imagen

La comunicación cuántica a largas distancias es una parte esencial en la seguridad de la información y se ha demostrado con estados bidimensionales (cúbits) en distancias muy largas entre satélites. Esto puede parecer suficiente si lo comparamos con su contraparte clásica, es decir, enviar bits que se pueden codificar en 1 (señal) y 0 (sin señal), uno a la vez. Sin embargo, la óptica cuántica nos permite aumentar el alfabeto y poder describir sistemas más complejos de forma segura en un solo envío, como una huella digital única o un rostro. 

Una tecnología de «Star Trek»

«Tradicionalmente, dos entidades se comunican entre sí enviando físicamente información de una a otra, incluso en el ámbito cuántico», comenta el profesor Andrew Forbes, el investigador principal de Wits, quien añade: «Ahora es posible teleportar información para que nunca viaje físicamente a través de la conexión: una tecnología de ‘Star Trek’ hecha realidad». 

Hasta ahora, la teletransportación solo se había demostrado entre dos partes utilizando alfabetos de baja dimensión, lo que requiere varios fotones entrelazados para enviar imágenes complejas. 

En este estudio, el equipo realizó la primera demostración experimental del transporte cuántico de estados de alta dimensión con solo dos fotones entrelazados como recurso cuántico, lo que dio como resultado que la información pareciera ser «teleportada» del emisor al receptor. Para avanzar, el equipo utilizó un detector óptico no lineal que evita la necesidad de fotones adicionales, pero funciona para cualquier «patrón» que deba enviarse.

Es la primera demostración experimental del transporte cuántico de estados de alta dimensión con solo dos fotones entrelazados como recurso cuántico

Con su técnica, los científicos informan sobre un nuevo protocolo de comunicación de última generación que puede enviar información escrita en un alfabeto de 15 dimensiones, con un esquema escalable a dimensiones aún mayores, allanando el camino para conexiones de redes cuánticas con mayor capacidad de información. 

Nuevo experimento con Alice y Bob

En su experimento, los investigadores idearon una forma elegante de transferir de forma segura información espacial de alta dimensión entre dos partes, nuestros famosos Alice y Bob, utilizando un esquema inspirado en la teleportación. A diferencia de experimentos anteriores que habían teleportado con éxito estados tridimensionales (usando entrelazamiento de trayectorias), requiriendo desafortunadamente la ayuda de fotones entrelazados adicionales, aquí el equipo usó tres y dos fotones entrelazados, que forman el canal cuántico.

La información se codificó para ser teleportada dentro de una «fuente de luz estampada» con un alfabeto de 15 elementos

Primero, codificaron la información para ser teleportada dentro de una «fuente de luz estampada» con un alfabeto conteniendo 15 elementos. Paralelamente crearon un par de fotones entrelazados en estas 15 dimensiones. Del par de fotones, el segundo fotón entrelazado viajó de Bob a Alice y se midió la interacción con la fuente de luz modelada en Alice con un detector espacial no lineal, a través de lo que se conoce como Medición del Estado de Bell (BSM).

El efecto de esta medición fue mezclar los estados del segundo fotón y de la fuente de luz en un segundo cristal no lineal y realizar una proyección espacial particular sobre el fotón único resultante de esa medición. Ahora bien, gracias a que el primer y el segundo fotón estaban entrelazados al principio, es decir, su estado conjunto estaba altamente correlacionado, el resultado del BSM generó la transferencia de la información codificada de la fuente de luz coherente al primer fotón, que había permanecido en Bob y que nunca había estado en contacto con la fuente.

Aplicaciones en el ámbito bancario

El potencial de este nuevo protocolo de transporte cuántico, lo ilustran los autores con una figura. Imagine a un cliente que desea enviar información confidencial a un banco, tal vez una huella digital. En la comunicación cuántica tradicional la información debe enviarse físicamente del cliente al banco, siempre con riesgo de ser interceptado (aunque sea segura).

En el esquema de transporte cuántico propuesto, el banco envía un solo fotón (uno de un par entrelazado) sin información al cliente, quien lo superpone en un detector no lineal con la información que se va a enviar.

El vínculo cuántico que conecta a las partes se establece mediante el intercambio de fotones cuánticos entrelazados

Como resultado, la información aparece en el banco exactamente como si hubiera sido teleportada allí. Nunca se envía físicamente información entre las dos partes, por lo que el intentar interceptar la señal no tiene sentido, mientras que el vínculo cuántico que conecta a las partes se establece mediante el intercambio de fotones cuánticos entrelazados.

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Ilustración del potencial de la técnica en el ámbito bancario. / ICFO

«Este protocolo tiene todas las características de la teleportación excepto por un ingrediente esencial: requiere el uso de un rayo láser intenso para que el detector no lineal sea eficiente, de modo que el remitente pueda saber qué se va a enviar, pero no necesita saberlo», explica Forbes.

«En este sentido, no se trata estrictamente de teleportación, pero podría serlo en el futuro si el detector no lineal pudiera hacerse más eficiente». Incluso tal como está ahora, abre un nuevo camino para conectar redes cuánticas, marcando el comienzo de la óptica cuántica no lineal como recurso. 

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No se trata estrictamente de teleportación, pero podría serlo en el futuro si el detector no lineal se hace más eficiente

Andrew Forbes (Wits)

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«Esperamos que estos resultados que validan la viabilidad del proceso motiven nuevos avances en el campo de la óptica no lineal, superando los límites hacia una implementación cuántica completa», afirma Adam Vallés del ICFO (Barcelona), uno de los líderes del proyecto que trabajó sobre el experimento durante su beca postdoctoral en Wits.

«Debemos ser cautelosos ahora –advierte–, ya que esta configuración no podría evitar que un remitente engañoso conserve mejores copias de la información para ser teleportada, lo que significa que podríamos terminar con muchos clones del Sr. Spock en el mundo de Star Trek si eso es lo que Scotty quería. Desde un punto de vista práctico, la configuración que demostramos actualmente ya se puede utilizar para establecer un canal seguro de alta dimensión para comunicaciones cuánticas entre dos partes, siempre que el protocolo no necesite alimentarse con fotones individuales, como sería el de los repetidores cuánticos”.

Investigación de doctorado

Vallés destaca: “Realizar tales experimentos de prueba de concepto con la tecnología actualmente disponible ha sido una aventura interesante, y debemos agradecer a Bereneice Sephton de Wits por su determinación y sus habilidades extraordinarias para domar un experimento tan monumental. Este es un verdadero esfuerzo experimental por el cual se la debe elogiar”.

Forbes se hace eco de este sentimiento: «Este fue un experimento heroico y la doctora Sephton debe ser reconocida porque fue ella quien hizo que el sistema funcionara y realizó los experimentos clave«.

Ahora, el equipo planea seguir trabajando en esta dirección y el siguiente paso se centrará en el transporte cuántico a través de una red de fibra óptica.

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