Llega la información cuántica, de Antonio Acín en La Vanguardia
TEMAS DE DEBATE
Física cuántica práctica
COMO NO PODEMOS UTILIZAR REPETIDORES QUE AMPLIFIQUEN la señal de la transmisión de una información cuántica, pues la teletransportamos. No es un comentario del capitán Spock de la serie de ciencia ficción Star Trek,son los conceptos que se manejan en una disciplina relativamente joven: la teoría de la información cuántica, que estudia cómo las leyes cuánticas pueden ser utilizadas para el procesamiento y transmisión de la información. Es un mundo fascinante que traslada el futuro tecnológico al presente.
LIBROS
Procesamiento cuántico de la información Antonio Acín Investigación y Ciencia Septiembre 2006
Rules for a complex quantum world: overview/ quantum information Michael A. Nielsen Scientific American October 15, 2002
Número especial sobre información cuántica Revista Española de Física, volumen 21, número 2, 2007
WEBS
http://www.icfo.es
http://www.mpg.mpg.de
http://cam.qubit.org/articles/index.php
http://idquantique.com/
ANÁLISIS
Portátiles, PC, teléfonos móviles, todos los dispositivos que utilizamos para comunicarnos y procesar información son cada vez más y más pequeños. En
un futuro cercano estos dispositivos alcanzarán el mundo microscópico de los átomos. ¿Qué pasará entonces? De algún modo, la situación recuerda a lo que sucedió a principios del siglo pasado. Los experimentos científicos alcanzaron el mundo de los átomos y se observó que las leyes físicas que se tenían hasta entonces no eran capaces de explicar los datos que se observaban en los laboratorios. Todo este proceso desembocó, gracias a los trabajos pioneros de Planck y Einstein, en el nacimiento de la física cuántica, que significó una gran revolución científica. ¿Asistiremos ahora a una revolución parecida en el modo en que procesamos y transmitimos información?
Este tipo de preguntas han conducido al nacimiento de la teoría de la información cuántica. Se trata de una disciplina relativamente joven, los primeros resultados datan de principios de los ochenta, que estudia cómo las leyes cuánticas pueden ser utilizadas para el procesamiento y transmisión de la información. El trabajo de los investigadores en esta área durante las últimas décadas ha servido para encontrar nuevas aplicaciones y resultados sorprendentes que son imposibles sin utilizar las leyes cuánticas, demostrando que nos encontramos ante una nueva y más potente teoría de la información.
De entre los nuevos resultados, resaltaremos tres por su importancia conceptual y práctica: los algoritmos cuánticos, la criptografía cuántica y la teleportación. Empecemos por el primero, recordando que un algoritmo es simplemente el conjunto de instrucciones, el programa, que introducimos en un ordenador para resolver un problema. Los algoritmos cuánticos son programas que se podrán llevar a cabo en ordenadores capaces de almacenar y procesar información almacenada en partículas cuánticas. Estos programas permiten la resolución de problemas computacionales de un modo mucho más eficiente de lo que será nunca posible en un ordenador clásico. De entre todos los algoritmos, cabe destacar el de factorización, en el que, dado un número entero, el objetivo es descomponerlo en dos factores tales que el producto sea el número inicial. Por ejemplo, si el número inicial es 6, 2 y 3 son los factores que se buscan ya que su producto es igual a 6. En este caso la solución es sencilla, pero supongamos que el número inicial es grande, por ejemplo, 38991817. Es mucho más complicado ver que es el producto de 7127 y 5471. El problema se vuelve más complejo para números cada vez grandes. Para el problema de la factorización, la teoría de la información cuántica proporciona un algoritmo que es mucho mejor que cualquiera de los que conocemos hoy en día. Ahora bien, ¿tiene este problema interés práctico? Las consecuencias de este resultado son impresionantes: gran parte de los sistemas criptográficos utilizados hoy en día se basan en la dificultad de la factorización de números grandes. Un espía dotado de un ordenador cuántico podría entonces romper los métodos de encriptación actuales. No es complicado hacerse una idea de las consecuencias que ello tendría: por ejemplo, ¡todos los mensajes privados que enviamos por internet podrían ser interceptados!
Afortunadamente, la teoría de la información cuántica ofrece la solución al problema de la transmisión privada de información: los protocolos de criptografía cuántica permiten una encriptación segura. Para ello, basta suponer que todos los dispositivos que entran en juego, los de las partes honestas que buscan intercambiar la información, y los de cualquier espía que intente leerla, deben estar sujetos a las leyes de la física cuántica. Sin entrar en detalles, la seguridad de estos esquemas se basa en que la información cuántica, contrariamente a la clásica, no puede copiarse de manera perfecta. Por tanto, un espía que intente copiar información almacenada en partículas cuánticas, introducirá errores que podrán ser detectados y permitirán a las partes honestas abortar la comunicación insegura. La criptografía cuántica es la aplicación de la teoría de la información cuántica que se encuentra en un estado más avanzado, debido no sólo a su claro interés práctico, sino también a que es la aplicación más factible utilizando la tecnología actual. De hecho ya existen empresas comercializando prototipos de criptografía cuántica.
Estos dos resultados demuestran la potencia de la nueva teoría. ¿Podemos, sin embargo, utilizar las redes de comunicación tal y como hoy la conocemos? En las redes actuales, nodos distantes se encuentran conectados por una serie de repetidores. Si realizamos una llamada desde Barcelona a Los Ángeles, la señal que genera nuestra voz pasa por toda una serie de repetidores que la leen y amplifican de manera que el receptor puede oír nuestro mensaje sin errores. Pero, ¿es posible amplificar la información cuántica si no es posible copiarla? ¡No! ¿Significa que la comunicación cuántica a grandes distancias es imposible? En nuestra ayuda acude la teleportación cuántica: este fenómeno, de nombre tan sugerente, realiza la transmisión de información cuántica a través de un canal sin necesidad de enviar un estado cuántico. A un nivel aplicado, la teleportación permite extender el concepto de repetidor al mundo cuántico evitando el problema de las copias imperfectas. Constituye por tanto una herramienta imprescindible para el progreso de las redes de comunicación cuántica.
Así pues, las leyes cuánticas supondrán una revolución en el modo en que comunicamos y procesamos la información. Ordenadores mucho más potentes, esquemas de criptografía seguros y protocolos tan sorprendentes como la teleportación son posibles en la nueva teoría. La disciplina es joven y estamos aún empezando, nuevas y revolucionaras aplicaciones están esperando a ser descubiertas.
ANTONIO ACÍN, ICFO-Instituto de Ciencias Fotónicas.
