Red cuántica - Quantum network

Las redes cuánticas forman un elemento importante de la computación cuántica y los sistemas de comunicación cuántica . Las redes cuánticas facilitan la transmisión de información en forma de bits cuánticos, también llamados qubits , entre procesadores cuánticos separados físicamente . Un procesador cuántico es una pequeña computadora cuántica que puede realizar puertas lógicas cuánticas en un cierto número de qubits . Las redes cuánticas funcionan de manera similar a las redes clásicas. La principal diferencia es que las redes cuánticas, como la computación cuántica, son mejores para resolver ciertos problemas, como el modelado de sistemas cuánticos.

Lo esencial

Redes cuánticas para computación

La computación cuántica en red o computación cuántica distribuida funciona al vincular múltiples procesadores cuánticos a través de una red cuántica enviando qubits entre ellos. Hacer esto crea un clúster de computación cuántica y, por lo tanto, crea más potencial de computación. Las computadoras menos potentes se pueden vincular de esta manera para crear un procesador más potente. Esto es análogo a conectar varias computadoras clásicas para formar un grupo de computadoras en la computación clásica. Al igual que la computación clásica, este sistema es escalable al agregar más y más computadoras cuánticas a la red. Actualmente, los procesadores cuánticos solo están separados por distancias cortas.

Redes cuánticas para la comunicación

En el ámbito de la comunicación cuántica , uno quiere enviar qubits de un procesador cuántico a otro a largas distancias. De esta manera, las redes cuánticas locales se pueden conectar de forma interna a una Internet cuántica . Una Internet cuántica admite muchas aplicaciones, que obtienen su poder del hecho de que al crear qubits entrelazados cuánticos , la información se puede transmitir entre los procesadores cuánticos remotos . La mayoría de las aplicaciones de una Internet cuántica requieren solo procesadores cuánticos muy modestos . Para la mayoría de los protocolos cuánticos de Internet , como la distribución de claves cuánticas en la criptografía cuántica , es suficiente si estos procesadores son capaces de preparar y medir solo un qubit a la vez. Esto contrasta con la computación cuántica, donde las aplicaciones interesantes solo se pueden realizar si los procesadores cuánticos (combinados) pueden simular fácilmente más qubits que una computadora clásica (alrededor de 60). Las aplicaciones de Internet cuántica requieren solo pequeños procesadores cuánticos , a menudo un solo qubit , porque el entrelazamiento cuántico ya se puede realizar entre solo dos qubits . Una simulación de un sistema cuántico entrelazado en una computadora clásica no puede proporcionar simultáneamente la misma seguridad y velocidad.

Descripción general de los elementos de una red cuántica

La estructura básica de una red cuántica y, más generalmente, de una Internet cuántica es análoga a una red clásica. Primero, tenemos nodos finales en los que finalmente se ejecutan las aplicaciones. Estos nodos finales son procesadores cuánticos de al menos un qubit . Algunas aplicaciones de una Internet cuántica requieren procesadores cuánticos de varios qubits , así como una memoria cuántica en los nodos finales.

En segundo lugar, para transportar qubits de un nodo a otro, necesitamos líneas de comunicación. A los efectos de la comunicación cuántica, se pueden utilizar fibras de telecomunicaciones estándar . Para la computación cuántica en red, en la que los procesadores cuánticos están conectados a distancias cortas, se eligen diferentes longitudes de onda dependiendo de la plataforma de hardware exacta del procesador cuántico .

En tercer lugar, para aprovechar al máximo la infraestructura de comunicaciones, se requieren conmutadores ópticos capaces de entregar qubits al procesador cuántico previsto . Estos interruptores deben preservar la coherencia cuántica , lo que los hace más difíciles de realizar que los interruptores ópticos estándar .

Finalmente, se requiere un repetidor cuántico para transportar qubits a largas distancias. Los repetidores aparecen entre los nodos finales. Dado que los qubits no se pueden copiar, la amplificación de señal clásica no es posible. Por necesidad, un repetidor cuántico funciona de una manera fundamentalmente diferente a un repetidor clásico .

Elementos de una red cuántica

Nodos finales: procesadores cuánticos

Los nodos finales pueden recibir y emitir información. Los láseres de telecomunicaciones y la conversión descendente paramétrica combinados con fotodetectores se pueden utilizar para la distribución de claves cuánticas . En este caso, los nodos finales pueden ser en muchos casos dispositivos muy simples que consisten únicamente en divisores de haz y fotodetectores.

Sin embargo, para muchos protocolos son deseables nodos finales más sofisticados. Estos sistemas proporcionan capacidades de procesamiento avanzadas y también se pueden utilizar como repetidores cuánticos. Su principal ventaja es que pueden almacenar y retransmitir información cuántica sin interrumpir el estado cuántico subyacente . El estado cuántico que se almacena puede ser el espín relativo de un electrón en un campo magnético o el estado energético de un electrón. También pueden realizar puertas de lógica cuántica .

Una forma de realizar estos nodos finales es mediante el uso de centros de color en el diamante, como el centro de vacantes de nitrógeno . Este sistema forma un pequeño procesador cuántico con varios qubits . Los centros NV se pueden utilizar a temperatura ambiente. En este sistema ya se han demostrado algoritmos cuánticos a pequeña escala y corrección de errores cuánticos, así como la capacidad de entrelazar dos y tres procesadores cuánticos y realizar teletransportación cuántica determinista .

Otra posible plataforma son los procesadores cuánticos basados ​​en trampas de iones , que utilizan campos magnéticos de radiofrecuencia y láseres. En una red de nodos de iones atrapados de múltiples especies, los fotones entrelazados con un átomo padre se utilizan para entrelazar diferentes nodos. Además, la electrodinámica cuántica de cavidades (Cavity QED) es un método posible para hacer esto. En Cavity QED, los estados cuánticos fotónicos se pueden transferir hacia y desde estados cuánticos atómicos almacenados en átomos individuales contenidos en cavidades ópticas. Esto permite la transferencia de estados cuánticos entre átomos individuales utilizando fibra óptica, además de la creación de entrelazamientos remotos entre átomos distantes.

Líneas de comunicación: capa física

A largas distancias, el método principal para operar redes cuánticas es utilizar redes ópticas y qubits basados ​​en fotones . Esto se debe a que las redes ópticas tienen una probabilidad reducida de decoherencia . Las redes ópticas tienen la ventaja de poder reutilizar la fibra óptica existente . Alternativamente, se pueden implementar redes de espacio libre que transmitan información cuántica a través de la atmósfera o al vacío.

Redes de fibra óptica

Las redes ópticas que utilizan fibra de telecomunicaciones existente se pueden implementar utilizando hardware similar al equipo de telecomunicaciones existente. Esta fibra puede ser monomodo o multimodo, con multimodo que permite una comunicación más precisa. En el emisor, se puede crear una única fuente de fotones atenuando en gran medida un láser de telecomunicaciones estándar de modo que el número medio de fotones por pulso sea inferior a 1. Para recibir, se puede utilizar un fotodetector de avalancha . Se pueden utilizar varios métodos de control de fase o polarización , como interferómetros y divisores de haz . En el caso de protocolos basados ​​en entrelazamiento , los fotones entrelazados se pueden generar mediante conversión descendente paramétrica espontánea . En ambos casos, la fibra de telecomunicaciones se puede multiplexar para enviar señales de control y temporización no cuánticas.

Redes de espacio libre

Las redes cuánticas de espacio libre funcionan de manera similar a las redes de fibra óptica, pero dependen de la línea de visión entre las partes que se comunican en lugar de utilizar una conexión de fibra óptica. Las redes de espacio libre pueden soportar típicamente velocidades de transmisión más altas que las redes de fibra óptica y no tienen que tener en cuenta la codificación de polarización causada por la fibra óptica . Sin embargo, a largas distancias, la comunicación en el espacio libre está sujeta a una mayor probabilidad de perturbación ambiental en los fotones .

Es importante destacar que la comunicación espacial libre también es posible desde un satélite hasta el suelo. Se ha demostrado un satélite cuántico capaz de distribuir entrelazados a una distancia de 1.203 km. También se ha informado del intercambio experimental de fotones individuales de un sistema global de navegación por satélite a una distancia oblicua de 20.000 km. Estos satélites pueden desempeñar un papel importante en la vinculación de redes terrestres más pequeñas a distancias más grandes.

Para la comunicación libre en largas distancias, se calcula la distorsión gravitacional de los portadores de información localizados, que surgen de la geometría del espacio- tiempo curvada , a medida que se transportan libremente a lo largo de una geodésica general , y se informa que es significativa.

Repetidores

La comunicación a larga distancia se ve obstaculizada por los efectos de la pérdida de señal y la decoherencia inherentes a la mayoría de los medios de transporte, como la fibra óptica. En la comunicación clásica, los amplificadores se pueden usar para aumentar la señal durante la transmisión, pero en una red cuántica no se pueden usar amplificadores ya que los qubits no se pueden copiar, lo que se conoce como el teorema de no clonación . Es decir, para implementar un amplificador, sería necesario determinar el estado completo del qubit volante , algo que es tanto no deseado como imposible.

Repetidores de confianza

Un paso intermedio que permite probar la infraestructura de comunicación son los repetidores de confianza. Es importante destacar que no se puede utilizar un repetidor de confianza para transmitir qubits a largas distancias. En cambio, un repetidor de confianza solo se puede utilizar para realizar la distribución de claves cuánticas con la suposición adicional de que el repetidor es de confianza. Considere dos nodos finales A y B, y un repetidor confiable R en el medio. A y R ahora realizan la distribución de claves cuánticas para generar una clave . De manera similar, R y B ejecutan la distribución de claves cuánticas para generar una clave . A y B ahora pueden obtener una clave entre ellos de la siguiente manera: A envía a R encriptado con la clave . R descifra para obtener . R luego vuelve a encriptar usando la clave y la envía a B. B desencripta para obtener . A y B ahora comparten la clave . La clave está protegida contra un intruso externo, pero claramente el repetidor R también lo sabe . Esto significa que cualquier comunicación posterior entre A y B no proporciona seguridad de extremo a extremo, sino que solo es segura siempre que A y B confíen en el repetidor R. ${\ displaystyle k_ {AR}}$${\ Displaystyle k_ {RB}}$${\ Displaystyle k_ {AB}}$${\ Displaystyle k_ {AB}}$${\ displaystyle k_ {AR}}$${\ Displaystyle k_ {AB}}$${\ Displaystyle k_ {AB}}$${\ Displaystyle k_ {RB}}$${\ Displaystyle k_ {AB}}$${\ Displaystyle k_ {AB}}$${\ Displaystyle k_ {AB}}$

Repetidores cuánticos

Diagrama para la teletransportación cuántica de un fotón

Un verdadero repetidor cuántico permite la generación de entrelazamiento cuántico de extremo a extremo y, por lo tanto, mediante el uso de la teletransportación cuántica , la transmisión de qubits de extremo a extremo . En los protocolos de distribución de claves cuánticas , uno puede probar dicho entrelazamiento. Esto significa que al hacer claves de cifrado, el remitente y el receptor están seguros incluso si no confían en el repetidor cuántico. Cualquier otra aplicación de una Internet cuántica también requiere la transmisión de qubits de extremo a extremo y, por lo tanto, un repetidor cuántico.

Los repetidores cuánticos permiten el entrelazamiento y se pueden establecer en nodos distantes sin enviar físicamente un qubit entrelazado a toda la distancia.

En este caso, la red cuántica consta de muchos enlaces de corta distancia de quizás decenas o cientos de kilómetros. En el caso más simple de un solo repetidor, se establecen dos pares de qubits entrelazados : y ubicados en el emisor y el repetidor, y un segundo par y ubicado en el repetidor y el receptor. Estos qubits entrelazados iniciales se pueden crear fácilmente, por ejemplo, mediante conversión descendente paramétrica , con un qubit transmitido físicamente a un nodo adyacente. En este punto, el repetidor puede realizar una medición de campana en los qubits y así teletransportar el estado cuántico de sobre . Esto tiene el efecto de "intercambiar" el entrelazado de tal manera que y ahora están entrelazados a una distancia dos veces mayor que la de los pares entrelazados iniciales. Puede verse que una red de repetidores de este tipo se puede utilizar de forma lineal o jerárquica para establecer entrelazamientos a grandes distancias. ${\ Displaystyle | A \ rangle}$${\ Displaystyle | R_ {a} \ rangle}$${\ Displaystyle | R_ {b} \ rangle}$${\ Displaystyle | B \ rangle}$ ${\ Displaystyle | R_ {a} \ rangle}$${\ Displaystyle | R_ {b} \ rangle}$${\ Displaystyle | R_ {a} \ rangle}$${\ Displaystyle | B \ rangle}$${\ Displaystyle | A \ rangle}$${\ Displaystyle | B \ rangle}$

Las plataformas de hardware adecuadas como nodos finales anteriores también pueden funcionar como repetidores cuánticos. Sin embargo, también existen plataformas de hardware específicas solo para la tarea de actuar como repetidor, sin las capacidades de realizar puertas cuánticas.

Error de corrección

La corrección de errores se puede utilizar en repetidores cuánticos. Sin embargo, debido a limitaciones tecnológicas, la aplicabilidad se limita a distancias muy cortas, ya que los esquemas de corrección de errores cuánticos capaces de proteger qubits a largas distancias requerirían una cantidad extremadamente grande de qubits y, por lo tanto, computadoras cuánticas extremadamente grandes.

Los errores en la comunicación se pueden clasificar en dos tipos: errores de pérdida (debido a fibra óptica / entorno) y errores de operación (como despolarización , desfase, etc.). Si bien la redundancia se puede utilizar para detectar y corregir errores clásicos, no se pueden crear qubits redundantes debido al teorema de no clonación. Como resultado, se deben introducir otros tipos de corrección de errores, como el código Shor o uno de varios códigos más generales y eficientes. Todos estos códigos funcionan distribuyendo la información cuántica a través de múltiples qubits entrelazados para que los errores de operación, así como los errores de pérdida, puedan corregirse.

Además de la corrección de errores cuánticos, las redes cuánticas pueden emplear la corrección de errores clásica en casos especiales, como la distribución de claves cuánticas. En estos casos, el objetivo de la comunicación cuántica es transmitir de forma segura una cadena de bits clásicos. Los códigos tradicionales de corrección de errores, como los códigos de Hamming, se pueden aplicar a la cadena de bits antes de la codificación y transmisión en la red cuántica.

Purificación de enredos

La decoherencia cuántica puede ocurrir cuando un qubit de un estado de campana entrelazado al máximo se transmite a través de una red cuántica. La purificación por entrelazamiento permite la creación de qubits entrelazados casi al máximo a partir de un gran número de qubits entrelazados débilmente arbitrarios y, por lo tanto, proporciona protección adicional contra errores. La purificación por entrelazamiento (también conocida como destilación por entrelazamiento ) ya se ha demostrado en los centros vacantes de nitrógeno en diamantes.

Percolación concurrente en redes cuánticas

Un estudio reciente de X. Meng et al encuentra que el umbral de transmisión de entrelazamiento en redes cuánticas puede ser más bajo que los resultados conocidos basados ​​en la percolación clásica.

Aplicaciones

Una Internet cuántica admite numerosas aplicaciones, habilitadas por el entrelazamiento cuántico . En general, el entrelazamiento cuántico es adecuado para tareas que requieren coordinación, sincronización o privacidad.

Ejemplos de tales aplicaciones incluyen distribución de claves cuánticas , estabilización de reloj, protocolos para problemas de sistemas distribuidos como elección de líder o acuerdo bizantino , extender la línea de base de telescopios , así como verificación de posición, identificación segura y criptografía bipartita en el modelo de almacenamiento ruidoso. . Una Internet cuántica también permite el acceso seguro a una computadora cuántica en la nube. Específicamente, una Internet cuántica permite que dispositivos cuánticos muy simples se conecten a una computadora cuántica remota de tal manera que los cálculos se puedan realizar allí sin que la computadora cuántica descubra qué es realmente este cálculo (los estados cuánticos de entrada y salida no se pueden medir sin destruyendo el cálculo, pero se conocerá la composición del circuito utilizada para el cálculo).

Comunicaciones seguras

Cuando se trata de comunicarse en cualquier forma, el mayor problema siempre ha sido mantener la privacidad de estas comunicaciones. Las redes cuánticas permitirían crear, almacenar y transmitir información, logrando potencialmente "un nivel de privacidad, seguridad e influencia computacional que es imposible de lograr con la Internet de hoy".

Al aplicar un operador cuántico que el usuario selecciona a un sistema de información, la información se puede enviar al receptor sin la posibilidad de que un fisgón pueda registrar con precisión la información enviada sin que el remitente o el receptor lo sepan. A diferencia de la información clásica que se transmite en bits y se le asigna un valor de 0 o 1, la información cuántica utilizada en las redes cuánticas utiliza bits cuánticos (qubits), que pueden tener valores de 0 y 1 al mismo tiempo, estando en un estado de superposición. . Esto funciona porque si un oyente trata de escuchar, cambiará la información de una manera no intencionada al escuchar, inclinando la mano hacia las personas a las que está atacando. En segundo lugar, sin el operador cuántico adecuado para decodificar la información, corromperán la información enviada sin poder usarla ellos mismos. Además, los qubits se pueden codificar en una variedad de materiales, incluida la polarización de fotones o los estados de espín de los electrones .

Estado actual

Internet cuántico

En la actualidad, no hay una red que conecte procesadores cuánticos ni repetidores cuánticos desplegados fuera de un laboratorio.

Un ejemplo de una red de comunicación cuántica prototipo es la red cuántica a escala de ciudad de ocho usuarios descrita en un artículo publicado en septiembre de 2020. La red ubicada en Bristol usaba infraestructura de fibra ya implementada y funcionaba sin conmutación activa o nodos confiables.

Redes cuánticas para computación

En 2021, investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania informaron sobre un primer prototipo de puertas lógicas cuánticas para computadoras cuánticas distribuidas.

Módems cuánticos experimentales

Un equipo de investigación del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, está teniendo éxito en el transporte de datos cuánticos de qubits voladores y estables a través de la coincidencia de espectro infrarrojo. Esto requiere un cristal de silicato de itrio sofisticado y súper enfriado para intercalar erbio en un entorno reflejado para lograr la coincidencia de resonancia de las longitudes de onda infrarrojas que se encuentran en las redes de fibra óptica. El equipo demostró con éxito que el dispositivo funciona sin pérdida de datos.

Redes cuánticas móviles

En 2021, investigadores en China informaron sobre la transmisión exitosa de fotones entrelazados entre drones , utilizados como nodos para el desarrollo de redes cuánticas móviles o extensiones de redes flexibles. Este podría ser el primer trabajo en el que se envían partículas entrelazadas entre dos dispositivos móviles.

Redes de distribución de claves cuánticas

Se han implementado varias redes de prueba que se adaptan a la tarea de distribución de claves cuánticas, ya sea a distancias cortas (pero conectando a muchos usuarios) o en distancias más grandes confiando en repetidores confiables. Estas redes aún no permiten la transmisión de un extremo a otro de qubits o la creación de un enredo de extremo a extremo entre nodos lejanos.

Red cuántica de DARPA

A principios de la década de 2000, DARPA comenzó a patrocinar un proyecto de desarrollo de redes cuánticas con el objetivo de implementar una comunicación segura. La Red DARPA Quantum entró en funcionamiento dentro del laboratorio de BBN Technologies a finales de 2003 y se amplió aún más en 2004 para incluir nodos en las universidades de Harvard y Boston. La red consta de múltiples capas físicas que incluyen fibra óptica que soporta láseres de fase modulada y fotones entrelazados, así como enlaces de espacio libre.

Red SECOQC Viena QKD

De 2003 a 2008, el proyecto de comunicación segura basada en criptografía cuántica (SECOQC) desarrolló una red de colaboración entre varias instituciones europeas. La arquitectura elegida para el proyecto SECOQC es una arquitectura repetidora confiable que consiste en enlaces cuánticos punto a punto entre dispositivos donde la comunicación a larga distancia se logra mediante el uso de repetidores.

Red jerárquica china

En mayo de 2009, se demostró una red cuántica jerárquica en Wuhu, China. La red jerárquica consta de una red troncal de cuatro nodos que conectan varias subredes. Los nodos de la red troncal están conectados a través de un enrutador cuántico de conmutación óptica. Los nodos dentro de cada subred también están conectados a través de un conmutador óptico y están conectados a la red troncal a través de un relé confiable.

Red de área de Ginebra (SwissQuantum)

La red SwissQuantum desarrollada y probada entre 2009 y 2011 vinculó las instalaciones del CERN con la Universidad de Ginebra y hepia en Ginebra. El programa SwissQuantum se centró en la transición de las tecnologías desarrolladas en SECOQC y otras redes cuánticas de investigación a un entorno de producción. En particular, la integración con las redes de telecomunicaciones existentes y su fiabilidad y robustez.

Red de Tokio QKD

En 2010, varias organizaciones de Japón y la Unión Europea configuraron y probaron la red Tokyo QKD. La red de Tokio se basa en tecnologías QKD existentes y adoptó una arquitectura de red similar a SECOQC. Por primera vez, se implementó el cifrado de un solo uso a velocidades de datos lo suficientemente altas como para admitir aplicaciones populares para el usuario final, como conferencias de video y voz seguras. Las redes QKD a gran escala anteriores generalmente usaban algoritmos de encriptación clásicos como AES para la transferencia de datos de alta velocidad y usan las claves derivadas cuánticas para datos de baja velocidad o para volver a introducir regularmente los algoritmos de encriptación clásicos.

Línea troncal Beijing-Shanghai

En septiembre de 2017, se inauguró oficialmente una red de distribución de claves cuánticas de 2000 km entre Beijing y Shanghai, China. Esta línea troncal servirá como columna vertebral que conectará las redes cuánticas en Beijing, Shanghai, Jinan en la provincia de Shandong y Hefei en la provincia de Anhui. Durante la ceremonia de apertura, dos empleados del Banco de Comunicaciones completaron una transacción de Shanghai a Beijing utilizando la red. La State Grid Corporation de China también está desarrollando una aplicación de gestión para el enlace. La línea utiliza 32 nodos de confianza como repetidores. También se puso en servicio una red de telecomunicaciones cuánticas en Wuhan, capital de la provincia de Hubei, en el centro de China, que se conectará a la troncal. Está previsto que le sigan otras redes cuánticas de ciudades similares a lo largo del río Yangtze.

En 2021, los investigadores que trabajaban en esta red de redes informaron que combinaron más de 700 fibras ópticas con dos enlaces QKD de tierra a satélite utilizando una estructura de retransmisión confiable para una distancia total entre nodos de hasta ~ 4.600 km, lo que la convierte en la de la Tierra. la mayor red de comunicación cuántica integrada.

IQNET

IQNET (Intelligent Quantum Networks and Technologies) fue fundada en 2017 por Caltech y AT&T . Juntos, están colaborando con el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi y el Laboratorio de Propulsión a Chorro . En diciembre de 2020, IQNET publicó un trabajo en PRX Quantum que informó de una teletransportación exitosa de qubits de contenedores de tiempo a través de 44 km de fibra . Por primera vez, el trabajo publicado incluye un modelado teórico de la configuración experimental . Los dos bancos de pruebas para las mediciones realizadas fueron Caltech Quantum Network y Fermilab Quantum Network. Esta investigación representa un paso importante en el establecimiento de una Internet cuántica del futuro, que revolucionaría los campos de la comunicación segura , el almacenamiento de datos, la detección de precisión y la informática.

Ver también

• Mecánica cuántica
• Computadora cuántica
• Bus cuántico

Referencias

enlaces externos

• https://web.archive.org/web/20090716121402/http://itvibe.com/news/2583/
• http://www.vnunet.com/vnunet/news/2125164/first-quantum-computr-network-goes-online
• Elliott, Chip (2004). "La red cuántica de DARPA". arXiv : quant-ph / 0412029 .
• http://www.cse.wustl.edu/~jain/cse571-07/ftp/quantum/
• https://web.archive.org/web/20141229113448/http://www.ipod.org.uk/reality/reality_quantum_entanglement.asp