España adelanta a China en uno de los mayores problemas de comunicación cuántica

Investigadores radicados en España han adelantado a China en uno de los problemas más complejos para establecer redes de comunicación cuántica imposibles de espiar ni piratear.

Desde hace años, China, EE UU y Europa compiten por ser los primeros en alcanzar la supremacía cuántica, un amplio término que supone la creación de ordenadores con una rapidez y poder de cálculo muy superior a los actuales conectados por una red de comunicación inexpugnable.

El año pasado China creó un ordenador cuántico que desbancó al fabricado por Google y resolvió en poco más de tres minutos un problema matemático que un ordenador normal tardaría en solucionar unos 2.500 millones de años.

China es también líder en comunicación cuántica, que consiste en enviar claves para descifrar mensajes secretos usando las asombrosas propiedades de las partículas de luz: los fotones. Estas partículas microscópicas pueden estar entrelazadas entre sí, con lo que están en el mismo estado aunque las separen miles o millones de kilómetros. Mandar mensajes con fotones entrelazados es posiblemente el modo de comunicación más seguro: si un espía intenta entrar en el sistema los fotones rompen su enlace, el mensaje cifrado se pierde y salta la alarma de que ha habido una intrusión. La supremacía cuántica es un objetivo estratégico tanto para países que quieran transmitir mensajes secretos como para empresas que manejan datos sensibles de miles de millones de personas.

China tiene un ordenador cuántico que resolvió en poco más de tres minutos un problema matemático que un ordenador normal tardaría en solucionar unos 2.500 millones de años

El verano pasado, China transmitió una clave cuántica desde el espacio a dos estaciones terrestres separadas por más de 1.000 kilómetros, 10 veces más distancia de lo que se había conseguido hasta el momento. Fue uno de los mayores triunfos para Jian Wei-Pan, el responsable del sistema de comunicación cuántica chino. Jian se formó en la Universidad de Austria a finales de los noventa antes de regresar a su país para poner en marcha el desarrollo de esta tecnología. El concepto de la comunicación cuántica se acuñó en Europa y aquí es donde se hicieron los primeros experimentos fundamentales, pero desde hace años China está invirtiendo grandes sumas de dinero para dominar esta tecnología.

Hoy, un grupo de investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas de Cataluña (ICFO) le gana una pequeña gran batalla al gigante asiático. Uno de los mayores problemas sin resolver de la comunicación cuántica es que la fibra óptica no puede transmitir pares de fotones entrelazados a más de 100 kilómetros. La señal se pierde. Para poder ampliar el rango hay que fabricar repetidores, una cuestión trivial en telecomunicaciones convencionales pero endiablada cuando se trata de la cuántica, pues hay que almacenar los fotones en memorias cuánticas hechas de cristales cuyos átomos pueden conservar durante un tiempo la partícula entrelazada en su interior.

El equipo dirigido por Hugues de Riedmatten, del ICFO, demuestra en un artículo publicado en la portada de la prestigiosa revista Nature el almacenamiento de dos fotones entrelazados en dos memorias cuánticas que estaban a 10 metros de distancia. El estudio supone una prueba de concepto clave, pues los investigadores han usado fotones con unas propiedades que permitirían enviar mensajes cuánticos usando la fibra óptica convencional que ya emplea internet. Además son los primeros en demostrar que su comunicación tiene hasta 60 modos diferentes de almacenar los fotones, un hito clave en el campo.

“Este trabajo es la demostración de un primer paso hacia un repetidor cuántico”, explica Riedmatten. Las memorias almacenan el fotón durante apenas 25 millonésimas de segundo, suficiente para demostrar que podría establecerse una red de repetidores viable trabajando con partículas que viajan a la velocidad de la luz.

Samuele Grandi, otro miembro del equipo, explica que ya están preparando un experimento similar entre una memoria cuántica localizada en el ICFO, con sede en Castelldefels, y otra en la ciudad de Barcelona, a 35 kilómetros.

Hoy mismo, un equipo chino publica un estudio muy similar en la misma revista donde describen sus propios repetidores cuánticos que han sido capaces de almacenar dos fotones entrelazados, pero a apenas tres metros de distancia el uno del otro. El trabajo lo lideran investigadores del laboratorio estatal de información cuántica de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, de la que Jian es vicepresidente.

“Este es un paso muy importante hacia una primera red de comunicación cuántica terrestre”, reconoce Juan José García-Ripoll, experto en comunicación cuántica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas. El estudio del equipo español “tiene una aplicación inmediata”, dice García-Ripoll: “Crear la primera red cuántica metropolitana usando fibra óptica comercial”.

Jelena Rakonjac, otra de las autoras del estudio del ICFO, explica que este futuro internet cuántico no sustituirá al actual, sino que lo complementará. Las redes de comunicación cuántica servirán para transmitir las claves que permitan descifrar mensajes encriptados transmitidos de forma convencional. Si alguien intenta penetrar en las memorias cuánticas para espiar, la clave desaparece y el mensaje es indescifrable. “Esto puede ser de gran utilidad para comunicaciones oficiales secretas, para la banca y también para compartir datos personales muy delicados, como historiales médicos entre hospitales”, señala la investigadora.

Riedmatten advierte de que aún estamos en los albores de la comunicación y computación cuántica. “Probablemente esta década veamos las primeras redes cuánticas a distancias de 500 o incluso 1.000 kilómetros. Pero tener una red funcional que alcance a todos como lo hace Internet llevará muchos años, si no décadas” explica.

A finales de este verano concluirá el primer gran proyecto de la Unión Europea en este campo, conocido como Alianza por un Internet Cuántico. El proyecto ha costado más de 10 millones de euros. Su objetivo es trazar un primer plano de lo que será la primera red de comunicación cuántica de Europa.

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