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Avance teórico en criptografía cuántica

La criptografía cuántica sólo funciona si Alice y Bob (emisor y receptor) comparten posiciones relativas por adelantado. Ahora, los físicos han descubierto cómo hacerlo sin esta información.

El mundo de la criptograía está pasando por una revolución cuántica. Las extrañas leyes de la mecánica cuántica permiten a los criptógrafos crear códigos que garanticen una privacidad perfecta. Hasta hace poco, los mejores criptógrafos sólo podían apuntar a una privacidad bastante buena, con códigos que siempre se venían comprometidos de una u otra forma. La criptografía cuántica, por otra parte, es perfecta; segura en teoría y práctica.

Unas pocas compañías incluso han empezado a vender un dispositivo que pueden enviar mensajes perfectamente seguros, principalmente a bancos y gobiernos (aunque el propio dispositivo deja algunos huecos que un fisgón puede atacar).

Pero aún así, estamos en los primeros días de esta tecnología y, naturalmente, sufre algunos obstáculos importantes. Por ejemplo, una limitación bien conocida es que la criptografía cuántica sólo puede usarse sobre conexiones punto a punto y no para redes donde los datos deben ser enrutados. Esto se debe a que el proceso de enrutamiento destruye las propiedades cuánticas de los fotones usados para securizar los mensajes.

Una limitación menos conocida es que el receptor y el emisor de mensajes cuánticos encriptados – los famosos Alice y Bob – deben estar perfectamente alineados para que puedan llevarse a cabo las medidas de polarización bien definidas sobre los fotones cuando llegan. Los físicos dicen que Alice y Bob deben compartir el mismo marco de referencia.

Esto no es difícil de lograr cuando Alice y Bob están en laboratorios sobre la Tierra. Pero es mucho más difícil cuando uno se mueve respecto al otro, en un satélite, por ejemplo, que estuviese girando y orbitando la Tierra.

Hoy, Anthony Laing de la Universidad de Bristol y algunos compañeros, demuestran cómo solventar esto. El truco está en usar tripletes entrelazados de fotones, los conocidos como qutrits, en lugar de pares entrelazados.

Esto resuelve el problema incrustándolo en una dimensión extra abstracta, que es independiente del espacio. Por lo que mientras que Alice y Bob sepan la forma en que están relacionadas estas dimensiones abstractas, la tercera proporciona un marco de referencia contra el que hacer las otras dos medidas.

Esto permite que Alice y Bob tomen cualquier medida que necesiten sin tener que acordar por adelantado un marco de referencia. Hay una condición: Alice y Bob no pueden moverse demasiado rápido durante las medidas dado que esto cambia su orientación relativa y se necesitaría un nuevo qutrit para establecer una referencia.

Esto será útil para la encriptación cuántica en enlaces de satélite, el tipo de cosa que las agencias gubernamentales y los militares podrían querer hacer. Pero hay otra aplicación más valiosa.

Si en algún momento se usa de forma amplia la encriptación cuántica, se necesitará trabajar entre un microchip y otro sin necesidad de compartir un marco de referencia por adelantado. Esto siempre ha sido un problema debido a que los chips en el interior de los ordenadores están en un movimiento constante (relativo a la longitud de onda de la luz) y debido a que la polarización de los fotones varía cuando se mueven a través de las fibras ópticas, se introduce otra fuente de error.

Debido a esto es por lo que la criptografía cuántica, que es independiente del marco de referencia, es una tecnología que lo permite y tan valiosa potencialmente. Significa que Laing y sus colegas han hecho una de los avances clave que llevarán la criptografía cuántica a las masas.


Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1003.1050: Reference Frame Independent Quantum Key Distribution

Fuente: CienciaKanija

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Investigadores encuentran que los errores cuánticos funcionan

Físicos de la Universidad de Queensland han encontrado que el campo emergente de la computación cuántica puede ser más estable de lo que se pensaba anteriormente.

El Dr. Tom Stace, de la Escuela de Matemáticas y Física de la UQ, ha estudiado el efecto de los errores en los ordenadores cuánticos y encontró que incluso con un 50% de pérdida de componentes aún podría funcionar.

La investigación teórica realizada junto con el Dr. Andrew Doherty de la UQ y el Dr. Sean Barrett de la Universidad Macquarie, se publicó recientemente en la revista científica Physical Review Letters.

“Nuestros resultados demuestran que pueden tolerarse errores y pérdidas relativamente grandes, y por lo tanto puede confirmar que los ordenadores cuánticos son genuinamente factibles”, dijo el Dr. Stace.

“Lo que demuestra nuestro trabajo es que un dispositivo cuántico teóricamente útil puede construirse incluso si un 10% de sus componentes sufren un error, o hasta un 50% de sus componentes se han perdido por completo”.

El Dr. Stace dijo que aunque la computación cuántica estaba aún en sus albores, tiene el potencial de revolucionar los ordenadores debido a su potencial de ser mucho más potente que los ordenadores actuales, especialmente en campos tales como la banca donde las transacciones seguras son primordiales.

“Pero uno de los retos principales de la computación cuántica es diseñar un dispositivo que sea insensible a los errores, incluso aunque sus elementos constituyentes sean en sí mismos propensos al error”, dijo.

“Los dispositivos cuánticos son muy sensibles al ruido de su alrededor, y su rendimiento puede verse gravemente impedido por los errores. Nuestra investigación se centra, por tanto, en cómo podríamos construir un dispositivo útil a partir de componentes imperfectos”.

“Este trabajo teórico nos da una idea cuantitativa de cómo de precisa tiene que ser la ingeniería cuántica para hacer dispositivos útiles”.

Fuente: Ciencia Kanija
Bajo licencia Creative Commons

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Simulación Cuántica en camino. El Matrix no está lejos…

Aun con todo el inmenso poder de las computadoras de hoy día, hay al menos un tipo de problemas que ni todas las computadoras del mundo combinadas en una sola puede atacar, y ese es el problema de simular efectos cuánticos. Pero eso está empezando a cambiar…

El problema es que efectos cuánticos (es decir, los efectos de la física que ocurren en las escalas mas inimaginablemente pequeñas, como lo que ocurre entre y dentro de los átomos) tienen la extraña propiedad de que pueden existir en mas de un estado simultáneamente.

Es decir, es como si tuviéramos un bombilla, la cual estuviera encendida y apagada al mismo tiempo, algo que suena ridículo pero que aunque contra-intuitivo, es la manera en que funciona la naturaleza a pequeñas escalas, es decir, un mismo electrón puede estar en dos estados a la misma vez, en dos lugares a la misma vez, en dos estados magnéticos a la misma vez, etc. Y cuando digo dos estados, no solo me refiero a dos, sino que a hasta una infinidad de estos estados simultáneos.

Muchos dirán que esto es solo teoría, pero lo cierto es que esto ha sido comprobado en miles de experimentos durante décadas. Inclusive, la razón por la cual nuestros televisores, celulares, y cientos de otros aparatos domésticos funcionan es precisamente debido a esta singularidad de la naturaleza. Es el famoso «Principio de Superposición», que dice que una misma cosa puede estar en una infinidad de estados simultáneos, hasta que uno interactúe con su información.

Pues sucede, que simular estos estados cuánticos es un gran problema para las computadoras «clásicas» que utilizamos hoy día, ya que estas se basan en una arquitectura binaria, es decir, de 2, en donde cada pedazo (o «bit», que es lo que significa «pedazo» en Inglés) solo puede estar en 1 de 2 posibles estados, en el estado 0 (cero) o el estado 1 (uno), pero nunca ambos a la vez.

En contraste, una computadora cuántica utiliza Qbits, en donde cada Qbit puede estar en «0», o en «1», o «en 0 y 1″.

Eso significa que si una computadora clásica (de «bits») quisiera simular tan solo 2 átomos que tuvieran tan solo 2 estados (digamos 0 y 1), que tal computadora necesitaría darle seguimiento a 4 posibles combinaciones entre esos dos bits, que son 00, 01, 10 y 11. Si tuviéramos 3 átomos, hablamos de 8 combinaciones (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111), y si hablamos de tan solo 4 átomos entonces requeriríamos de 16 combinaciones.

Para que tengan una idea, el tan solo almacenar los posibles estados de 24 átomos, que en una computadora clásica requeriría de tan solo 24 bits (o 3 Bytes), en una computadora cuántica se necesitarían 16,777,216 bits, o unos 2 GigaBytes. Es decir, que para que una computadora clásica pueda simular a una cuántica, se necesita almacenar información exponencialmente, o en este caso mas precisamente se necesitan 2N bits para almacenar los estados de N Qbits. Es por eso que en el ejemplo anterior si queremos almacenar los estados de 24 bits, necesitamos de 224 bits, que son 16,777,216 bits.

Y debido a esta exponencialidad, es impráctico poder simular cualquier sistema cuántico de un tamaño útil para obtener resultados, ya que por ejemplo para simular un sistema cuántico con tan solo 256 Qbits, se necesitarían mas bits que la cantidad de fotones visibles en todo el Universo conocido (un número que no cabrían en varias páginas aquí).

Y es aquí en donde llegamos al tema de hoy, Simulación Cuántica.

Sucede que desde el 2002 ya se dieron los primeros pasos para simular efectos cuánticos (y efectos clásicos) con una computadora cuántica. La gran ventaja de esto es que a diferencia de una computadora clásica, una cuántica puede estar en «todos los estados posibles» a la vez, por lo que para simular un sistema de 256 Qbits solo se necesitan 256 Qbits (valga la redundancia).

Hoy día ya se están creando las primeras simulaciones casi prácticas que nos permitirán simular prácticamente cualquier cosa en el futuro, inclusive partes del Universo mismo, idéntico a la película The Matrix.

Inicialmente estos experimentos tienen un fin práctico inmediato, y es el de poder simular complejos materiales sintéticos. Hoy día por ejemplo si alguien tiene una idea de algún novedoso nuevo material, su única opción para «simularlo» es construyendo de alguna manera uno real (un proceso complejo, lento y caro), y después midiendo sus propiedades con todo tipo de herramientas.

Sin embargo, con un simulador cuántico, es posible crear una simulación del objeto en el mundo cuántico, y poder interactuar con el material como si existiera de verdad, lo que aceleraría la creación de nuevos y asombrosos materiales desde una tarea laboriosa que toma años o décadas, a una que tome días o quizás segundos.

Este a propósito es un excelente ejemplo de como todo, incluyendo en este caso la tecnología, avanza no de manera gradual (o lineal), sino que exponencial, pues este tipo de herramientas aceleran tanto la industria, que los nuevos adelantos en sí mismo nos permiten acelerar otras tantas mas de manera exponencial también (como en este caso, la industrias de construcción civil, de arquitectura, la textil, y hasta la de viajes espaciales).

Es esta una razón por la cual tardamos miles de años en crear computadoras, pero tan solo tardamos unas décadas en crear el Internet, unos años en crear celulares, y ya hoy día es casi cada unos cuantos meses que sale algo nuevo y novedoso, y este paso solo continuará acelerándose, hasta que lleguemos a una singularidad, pero ese ya es tema para otro artículo…

A los científicos que quieran mas información sobre esto, consulten este enlace del 2002, y a los que quieran un extracto de desarrollos recientes (y menos técnico), pueden leer este otro articulo recién publicado, el cual me inspiró a escribir este artículo de hoy.

Y como siempre, si disfrutaste de este tema, puedes aprender mucho mas de temas similares y explicados de manera que cualquiera los pueda entender, en mi libro gratuito Máquinas en el Paraíso, cuyo enlace aparece en el encabezado de eliax.

Fuente: Eliax

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