La investigación de tecnología cuántica en Chicago podría conducir a una Internet más segura
La investigación cuántica en un laboratorio de la Universidad de Chicago podría ayudar a prevenir la piratería y conectar una futura red de supercomputadoras
Las apariencias modestas de Equipment Closet LL211A desmienten la importancia de un proyecto a la vanguardia de una de las competencias tecnológicas más importantes del mundo. Estados Unidos, China y otros están compitiendo para aprovechar las extrañas propiedades de las partículas cuánticas para procesar la información de formas nuevas y poderosas, una tecnología que podría conferir importantes beneficios económicos y de seguridad nacional a los países que la dominan.
La investigación cuántica es tan importante para el futuro de Internet que está atrayendo nuevos fondos federales, incluso de la Ley de Ciencia y Chips recientemente aprobada. De hecho, si llega a buen término, la Internet cuántica podría proteger las transacciones financieras y los datos de atención médica, prevenir el robo de identidad y detener a los piratas informáticos hostiles.
La semana pasada, tres físicos compartieron el Premio Nobel por la investigación cuántica que ayudó a allanar el camino para esta Internet del futuro.
La investigación cuántica todavía tiene muchos obstáculos que superar antes de convertirse en la corriente principal. Pero los bancos, las empresas de atención médica y otros están comenzando a experimentar con Internet cuántico. Algunas industrias también están jugando con las primeras etapas de las computadoras cuánticas para ver si pueden resolver problemas que las computadoras actuales no pueden, como descubrir nuevos productos farmacéuticos para tratar enfermedades incurables.
Grant Smith, un estudiante graduado del equipo de investigación cuántica de la Universidad de Chicago, dijo que era demasiado pronto para imaginar todas las aplicaciones potenciales.
“Cuando las personas crearon por primera vez las rudimentarias redes de Internet que conectaban computadoras de grado de investigación, universidades y laboratorios nacionales, no podían haber predicho el comercio electrónico”, dijo durante una visita reciente a los laboratorios de la universidad.
El estudio de la física cuántica comenzó a principios del siglo XX, cuando los científicos descubrieron que los objetos más pequeños del universo (átomos y partículas subatómicas) se comportan de manera diferente a la materia del mundo a gran escala, por ejemplo, al parecer estar en varios lugares a la vez. al mismo tiempo. .
Estos descubrimientos, llamados la primera revolución cuántica, condujeron a nuevas tecnologías como los láseres y el reloj atómico. Pero la investigación ahora acerca a los científicos a aprovechar más los poderes especiales del mundo cuántico. David Awschalom, profesor de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y líder del equipo cuántico, llama a esto la segunda revolución cuántica.
El campo «trata de diseñar cómo se comporta la naturaleza en su nivel más fundamental en nuestro mundo, y aprovechar esos comportamientos para nuevas tecnologías y aplicaciones», dijo.
Las computadoras y las redes de comunicación existentes almacenan, procesan y transmiten información descomponiéndola en largos flujos de bits, que generalmente son pulsos eléctricos u ópticos que representan un cero o un uno.
Las partículas cuánticas, también conocidas como bits cuánticos o qubits, pueden existir como ceros y unos al mismo tiempo, o en cualquier posición intermedia, una flexibilidad llamada «superposición» que les permite tratar la información de nuevas formas. Algunos físicos los comparan con una moneda giratoria que se encuentra simultáneamente en un estado de lanzamiento.
Los bits cuánticos también pueden exhibir un «entrelazamiento», donde dos o más partículas están inextricablemente unidas y se reflejan entre sí exactamente, incluso cuando están separadas por una gran distancia física. Albert Einstein llamó a esto «acción aterradora a distancia».
El hardware del armario se conecta a una red de fibra óptica de 124 millas que va desde el campus de la universidad en el lado sur de Chicago hasta dos laboratorios financiados con fondos federales en los suburbios del oeste que colaboran en la investigación: el Laboratorio Nacional Argonne y el Laboratorio Acelerador Nacional Fermi.
El equipo utiliza fotones -que son partículas cuánticas de luz- para enviar claves de cifrado a través de la red, para ver cuánto viajan a través de las fibras que pasan por debajo de autopistas, puentes y cabinas de peaje. Las partículas cuánticas son extremadamente delicadas y tienden a funcionar mal ante la más mínima perturbación, como una vibración o un cambio de temperatura, por lo que es complicado enviarlas a largas distancias.
En el armario del sótano de la universidad, el hardware construido por la compañía japonesa Toshiba emite pares de fotones entrelazados y envía uno de cada par a través de la red a Argonne, que está a 30 millas de distancia en Lemont, Illinois. Una clave de cifrado está codificada en una cadena de pares de fotones.
Debido a que los pares están enredados, están perfectamente sincronizados entre sí. «En cierto sentido, puedes pensar en ellos como una pieza de información», dijo Awschalom.
Cuando los fotones viajeros llegan al Argonne, los científicos los miden y extraen la clave.
Cualquiera que intente piratear la red para interceptar la clave fracasará, dijo Awschalom, porque las leyes de la mecánica cuántica dicen que cualquier intento de observar partículas en un estado cuántico altera automáticamente las partículas y destruye la información transmitida. También alerta al remitente y al receptor del intento de espionaje.
Esta es una de las razones por las que los científicos piensan que la tecnología es tan prometedora.
“Hay enormes dificultades técnicas que superar, pero se podría decir que puede llegar a ser tan importante como la revolución tecnológica del siglo XX que nos dio el láser, el transistor y el reloj atómico y, en consecuencia, el GPS e Internet”. Steven Girvin, profesor de física en Yale, sobre los recientes descubrimientos en tecnología cuántica.
En un laboratorio al lado del armario, Awschalom y sus colegas están tratando de desarrollar nuevos dispositivos que ayudarán a los fotones a transportar información a distancias mayores. La habitación es una maraña estrecha de millones de dólares en equipos de laboratorio, láseres y una imagen de Thomas the Tank Engine, ya que uno de los instrumentos emite un silbido constante. «Supongo que tiene un valor cómico», dijo el estudiante graduado Cyrus Zeledon.
Un problema que intentan resolver: cuando las diminutas partículas de luz atraviesan las fibras de vidrio de la rejilla, las imperfecciones del vidrio hacen que la luz se atenúe a cierta distancia. Por lo tanto, los investigadores están tratando de desarrollar dispositivos que puedan capturar y almacenar información de partículas de luz a medida que viajan, y luego enviar la información de regreso con una nueva partícula, como un Pony Express fotónico.
Usando guantes de látex morados para evitar dañar la superficie, Zeledon levantó una pequeña placa de circuito que contiene dos chips de carburo de silicio que él y sus colegas están probando como un dispositivo para almacenar y controlar información de bits cuánticos. Más tarde ese día, Zeledon planeó enfriar los chips a temperaturas muy bajas y examinarlos bajo un microscopio, para buscar bits cuánticos que había implantado en los chips que luego podría manipular con microondas para intercambiar información con fotones.
En el otro extremo de la red, en una mañana reciente, el científico de Argonne Joe Heremans, que anteriormente había sido alumno de Awschalom, se disculpó por el fuerte silbido que también resonó en su laboratorio. ¿Dónde estaba su foto de Thomas the Tank Engine? «Tratamos de ser un poco más profesionales aquí», bromeó.
Heremans y sus colegas también están tratando de desarrollar nuevos dispositivos y materiales para ayudar a los fotones a transportar información cuántica a distancias mayores. Los diamantes sintéticos son un material prometedor, dijo, señalando un reactor que estaba produciendo diamantes a la velocidad glacial de nanómetros por hora.
La financiación federal de la Ley de Iniciativa Nacional Cuántica, aprobada por el Congreso y firmada por el presidente Donald Trump en 2018, ayudó recientemente al laboratorio a comprar un segundo reactor que producirá diamantes más rápido. La Ley de chips y ciencia, firmada por el presidente Biden en agosto, brinda apoyo adicional para la investigación y el desarrollo que impulsará los esfuerzos cuánticos.
En un rincón de su laboratorio, Heremans señaló una máquina Toshiba idéntica a la de la Universidad de Chicago. Desde allí, un revoltijo de cables de colores transporta señales hacia y desde la red que, después de salir del laboratorio, pasa por debajo de un Ikea y Buffalo Wild Wings cercanos antes de ir y venir a la universidad y al Fermilab.
Los científicos están experimentando con bancos de pruebas similares en Boston, Nueva York, Maryland y Arizona. También existen redes experimentales en los Países Bajos, Alemania, Suiza y China.
El objetivo es conectar algún día todos estos bancos de prueba, a través de enlaces de fibra y satélite, a una Internet cuántica naciente que abarque los Estados Unidos y, eventualmente, el mundo entero. A medida que la red crece, idealmente podría usarse no solo para enviar información cifrada, sino también para conectar computadoras cuánticas para aumentar su poder de procesamiento, al igual que la nube para las computadoras actuales.
“La idea de un internet cuántico es algo que está naciendo”, dijo Smith.
