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Criptografía cuántica, transmisión a 80 km mediante variables continuas
Manejando los fotones individuales, la criptografía cuántica de variables discretas se pueden utilizar a través de largas distancias, pero su uso es complicado. Con las variables continuas, se hace posible con medios habituales de telecomunicaciones, pero grandes distancias permanecen intransitables. Con 80 kilometros, investigadores franceses han logrado un hito en el progreso de esta técnica de seguridad de la información en internet.
El fenómeno del entrelazamiento cuántico se descubrió teóticamente por Einstein y Schrödinger en 1930. Este fenómeno se encuentra en el corazón de la famosa paradoja EPR, cuya existencia se ha comprobado en 1982 por Alain Aspect y sus colegas.
El fenómeno de entrelazamiento cuántico se puede utilizar para transmitir fielmente una clave de cifrado basada en el uso de los números primos, usando lo que se llama el protocolo E91, propuesto en 1991 por Artur Ekert. Pero esta no es la única forma de utilizar las leyes de la mecánica cuántica para distribuir claves en criptografía. El protocolo BB84 propuesto por Charles H. Bennett y Gilles Brassard en 1984, por ejemplo, no utiliza el fenómeno de entrelazamiento.
De hecho, el punto importante es usar la física cuántica para garantizar que la transmisión de una clave (Quantum Key Distribution QKD en Inglés) no fue interceptado por un espía.
Paquetes de ondas en lugar de fotones polarizados
La criptografía cuántica se asegura de este modo, al menos en teoría, la confidencialidad de las transacciones en línea. Es por eso que tratamos de desarrollar diversas maneras de construir una red de comunicación cuántica a largas distancias. La reciente propuesta de un grupo de investigadores de la realización de una prueba del efecto EPR entre la Tierra y la Estación Espacial Internacional es un ejemplo directo de esta esperanza.
Se sabe transmitir una clave en la criptografía cuántica a través de largas distancias, con el uso de variables discretas, tales como la polarización de fotones. Sin embargo, se deben utilizar los fotones uno a uno, y no es práctico. Es mucho más fácil utilizar variables continuas, tales como la fase y la amplitud dle paquetes de ondas con estados coherentes. A continuación, se pueden utilizar componentes de telecomunicaciones estándares, y son, de alguna manera, las desigualdades de Heisenberg para estas variables continuas las que pueden hacer la criptografía cuántica.
Técnicas de comunicación cuántica mejoradas
Desafortunadamente, esto requiere el uso de técnicas sofisticadas de corrección de errores (para hacer la señal lo más clara posible), cuyo rendimiento se ha limitado a 25 km para la distribución de claves cuántica con variables continuas (Continuous Variable Clave Cuántica distribución o CVQKD en Inglés).
Estas técnicas se han mejorado recientemente, gracias a una colaboración entre físicos, informáticos e ingenieros del CNRS, Institut d’optique Graduate School, de Télécom ParisTech, de Inria (Institut national de recherche en informatique et en automatique) y de la start-up Sequrenet.
En un artículo publicado en Nature Photonics, libremente disponible en arXiv, describen un método CVQKD para una distancia de 80 km. Según el comunicado del CNRS, el éxito abre perspectivas para asegurar enlaces metropolitanas, por ejemplo, en los centros de datos regionales.
Fuente: Futura-Sciences
Plataforma de silicio para ordenadores cuánticos
Un equipo de ingenieros australianos de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) ha demostrado un bit cuántico basado en el núcleo de un átomo de silicio, que promete grandes mejoras para procesamiento de datos en ultra poderosas computadoras cuánticas del futuro.
Los bits cuánticos o cubits, son los bloques de construcción de ordenadores cuánticos, que ofrecerán enormes ventajas para la búsqueda en bases de datos extensas, ¡ cifrado moderno y modelado de sistemas a escala atómica, tales como moléculas biológicas y f?macos.
El primer resultado, que ha sido publicado en la revista Nature el 18 de abril, muestra como estas máquinas suponen un paso más, que describe cómo se almacena y se recupera información mediante el espín magnético de un núcleo.
«Hemos adaptado la tecnología de resonancia magnética nuclear, comúnmente conocida por su aplicación en el análisis químico y la imaginería por resonancia magnética, para el control y lectura del espín nuclear de un átomo en tiempo real», dice el Profesor Andrea Morello de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Telecomunicaciones en UNSW.
El núcleo de un átomo de fósforo es un imán muy débil, que puede apuntar en dos sentidos naturales, ya sea «arriba» o «abajo». En el extraño mundo cuántico, el imán puede existir en dos estados al mismo tiempo – una característica conocida como superposición cuántica.
Las posiciones naturales son equivalentes al «cero» y «uno» de un código binario, tal como se utiliza en los ordenadores clásicos. En este experimento, los investigadores controlaron la dirección del núcleo, en efecto, «escribir» un valor en su espín, y luego «leer» el valor de salida – convirtiendo el núcleo en un cubit en funcionamiento.
«Logramos una fidelidad de lectura del 99,8 %, lo que establece un nuevo punto de referencia para la exactitud de cubit en dispositivos de estado sólido», dice el profesor Andrew Dzurak, quien también es director del Fondo Nacional de fabricación australiana en UNSW, donde se hicieron dispositivos.
La precisión de los cubits de espín nuclear del equipo de la UNSW hace que muchos lo consideren como el mejor bit cuántico actual – un solo átomo en una trampa electromagnética dentro de una cámara de vacío. El desarrollo de esta tecnología conocida como «trampa de iones» fue galardonado con el Premio Nobel 2012 de Física.
Fuente: PHYS.ORG
La internet cuántica del futuro gracias a los chips de diamante
Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es difícil pues se requiere un protocolo con un mediador que recorra dicha distancia. H. Bernien (Universidad Técnica de Delft, Holanda) y sus colegas han logrado entrelazar dos cubits codificados en el espín de electrones en dos celdas de diamante utilizando fotones como mediadores. La gran ventaja de la implementación de cubits en estado sólido es la posibilidad de utilizar técnicas de nanotecnología (nanofabricación), lo que facilita la escalabilidad del diseño. Este logro allana el camino hacia el uso de cubits de estado sólido en la futura red de internet cuántica, routers cuánticos y protocolos de teletransporte cuántico. El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013.
Un cubit se puede almacenar en el espín electrónico de un átomo de nitrógeno que actúe como defecto en una red cristalina de carbono (diamante). El espín electrónico permite representar los dos estados del cubit como |?> y |?> en los estados S=0 y S=1, resp., que pueden ser controlados de forma individual con pulsos de microondas. El uso de fotones como mediadores en el protocolo tiene el problema de que la eficiencia no es perfecta, hay pérdida de fotones y los detectores pueden fallar. Para reducir estos efectos Bernien y sus colegas han utilizado un sistema redundante de doble vuelta, utilizando dos fotones como mediadores que van y vienen entre los dos cubits en sendas rondas. El resultado es un protocolo robusto contra la pérdida de fotones.
Artículo completo en: Francis (th)E mule Science’s News
Nanotubos para almacenar información
Utilizando fenómenos mecánicos cuánticos, los ordenadores podrían ser mucho más potentes que sus predecesores digitales clásicos. Científicos de todo el mundo están trabajando para explorar las bases para la computación cuántica. Hasta la fecha, la mayoría de los sistemas están basados en partículas eléctricamente cargadas que son capturadas en una «trampa electromagnética».
Una desventaja de estos sistemas es que son muy sensibles a las interferencias electromagnéticas y por lo tanto necesitan una amplia protección. Físicos de la Universidad Técnica de Munich han encontrado una manera en que la información se almacena y procesa la mecánica cuántica en vibraciones mecánicas.
Como una nanoguitarra
Un nanotubo de carbono que se sujeta en ambos extremos puede ser excitado para oscilar. Al igual que una cuerda de guitarra, vibra durante un tiempo sorprendentemente largo.
«Uno esperaría que tal sistema sería fuertemente amortiguado, y que la vibración se calmaba rápidamente», dice Simon Rips, primer autor de la publicación. «Pero la cuerda vibra más de un millón de veces. La información es así retenida hasta un segundo. Eso es lo suficientemente largo para trabajar».
Dado que este tipo de cadena oscila entre muchos estados físicamente equivalentes, los físicos recurrieron a un truco: un campo eléctrico en las proximidades del nanotubo asegura que dos de estos estados puede ser dirigida selectivamente. La información puede asi ser escrita y leída optoelectrónicamente. «Nuestro concepto se basa en la tecnología disponible», dice Michael Hartmann, director del grupo de investigación Dinámica Cuántica en la Muenchen TU. «Podría llevarnos un paso más hacia la realización de un ordenador cuántico».
Fuente: ep
¿La probabilidad proviene de la física cuántica?
Desde que el científico austriaco Erwin Schrodinger puso su desafortunado gato en una caja, sus colegas físicos han estado usando algo llamado teoría cuántica para explicar y comprender la naturaleza de las ondas y partículas. Pero un nuevo estudio por el profesor de física Andreas Albrecht y el estudiante graduado Dan Phillips de la Universidad de California, Davis, argumenta que estas fluctuaciones cuánticas en realidad son los responsables de la probabilidad de que todas las acciones, con implicaciones de largo alcance para las teorías del universo.
La teoría cuántica es una rama de la física teórica que se esfuerza por comprender y predecir las propiedades y el comportamiento de los átomos y las partículas. Sin ella, no existirían transistores y ordenadores, por ejemplo. Un aspecto de la teoría es que las propiedades exactas de una partícula no se determinan hasta que se observa y «colapsa la función de onda» en la jerga de la física.
El famoso experimento mental de Schrodinger extiende esta idea a nuestra escala. Un gato es atrapado en una caja con un frasco de veneno que se libera cuando un átomo radiactivo se desintegra al azar. No se puede saber si el gato está vivo o muerto sin abrir la caja. Schrodinger argumentó que hasta que se abra la caja y se mire dentro, el gato no está ni vivo ni muerto, sino en un estado indeterminado. Para muchas personas, esto es un concepto difícil de aceptar. Pero Albrecht dice que, como físico teórico, concluyó hace unos años que así es como funciona probabilidad a todas las escalas, aunque hasta hace poco, no se veía como algo con un impacto crucial en la investigación.
Eso cambió con un documento de 2009 por Don Page de la Universidad de Alberta, Canadá. «Me di cuenta de nuestra forma de pensar acerca de las fluctuaciones cuánticas y cómo afecta la probabilidad acerca de nuestras teorías sobre el universo», dijo Albrecht, un cosmólogo teórico.
Una de las consecuencias de las fluctuaciones cuánticas es que cada función de onda cuando colapsa da realidades diferentes: una donde el gato está con vida y otra donde muere, por ejemplo. La realidad tal como la experimentamos toma su camino a través de este próximo al infinito de alternativas posibles. Múltiples universos podrían ser incorporados en un vasto «multiverso».
Hay básicamente dos maneras teóricas que han tratado de abordar el problema de la adaptación de la física cuántica al «mundo real», dijo Albrecht: se aceptar ésta y la realidad de muchos mundos o universos múltiples, o se puede asumir que hay algo mal o que falta en la teoría. Albrecht cae firmemente en el primer bando. «Nuestras teorías de la cosmología dice que la física cuántica funciona a través del universo», dijo. Por ejemplo, las fluctuaciones cuánticas en el universo temprano explican por qué las galaxias se forman como lo hicieron -una predicción que puede ser confirmado con observaciones directas.
El problema con los universos múltiples, dijo Albrecht, es que si hay un gran número de universos de bolsillo diferentes, se hace muy difícil obtener respuestas sencillas a las preguntas de la física cuántica, como la masa de un neutrino, una partícula subatómica eléctricamente neutra. «Don Page mostró que las reglas cuánticas de probabilidad simplemente no puede responder a preguntas clave en un multiverso grande donde no estamos seguros en qué universo de bolsillo realmente residen», dijo Albrecht. Una respuesta a este problema ha consistido en añadir un nuevo ingrediente a la teoría: un conjunto de números que nos dice la probabilidad de que nos encontramos en cada universo de bolsillo. Esta información puede ser combinada con la teoría cuántica, y puede conseguir con sus matemáticas (y el cálculo de la masa de un neutrino) volver a la pista. No tan rápido, dice Albrecht y Phillips. Mientras que las probabilidades asignadas a cada universo de bolsillo puede parecer simplemente más de lo usual, son en realidad un cambio radical de los usos cotidianos de las probabilidades, ya que, a diferencia de cualquier otra aplicación de la probabilidad, estas ya han demostrado que no tienen ninguna base en la la teoría cuántica. «Si toda probabilidad es realmente la teoría cuántica, entonces no se puede hacer», dijo Albrecht. «Universos de bolsillo son mucho, mucho más de una desviación de la teoría actual de lo que la gente había asumido».
El documento está publicado en el servidor de pre-impresión ArXiv.org y presentado para su publicación y ya ha estimulado una discusión considerable, dijo Albrecht. «Nos obliga a pensar en las diferentes clases de probabilidad, a menudo se confunden, y tal vez puede ayudar a trazar una línea entre ellos», dijo.
Más información: albrecht.ucdavis.edu
Conferencia completa de Brian Cox en la Royal Institution de Londres
Brian Edward Cox es un famoso físico de partículas británico, investigador de la Real Sociedad de Londres y profesor en la Universidad de Manchester que, de añadidura, es un excelente divulgador, dinámico, divertido y seductor.
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