Un experimento consigue la comunicación cuántica efectiva a través de 250 kilómetros de fibra óptica convencional | Tecnología

El futuro de la tecnología cuántica no pasa por que cada hogar o cada empresa o entidad disponga de un ordenador con capacidades extraordinarias. Su viabilidad pasa por la red, por un entramado de conexiones que permitan aprovechar las ventajas de esta nueva computación con ordenadores de menor capacidad individual, desde cualquier centro de investigación o corporativo y que, en última instancia, sea útil para los usuarios. Pero para crear esta red hace falta conseguir que las comunicaciones cuánticas entre las máquinas sean posibles a larga distancia sin depender de costosas infraestructuras. Una investigación que publica Nature este miércoles avanza en esta dirección al haber alcanzado en Alemania la distribución coherente de información cuántica a través de 250 kilómetros de cables de fibra óptica convencionales sin necesidad de enfriamiento criogénico.Mirko Pittaluga, autor principal de la investigación e investigador de Toshiba, y su equipo, consideran el resultado un “récord” no solo por la distancia, sino también por la infraestructura utilizada y por la coherencia alcanzada en la comunicación. “Es fundamental para la arquitectura del internet cuántico”, afirman.Para Antia Lamas, responsable del Centro de Redes Cuánticas de Amazon Web Services (AWS) y ajena al estudio, este internet de nueva generación será efectivo “cuando todas las capacidades de la red cuántica estén disponibles” y sus implicaciones serán cruciales, según explicó en una entrevista, “primero en el ámbito de la seguridad y, más adelante, para conectar computadoras cuánticas y ampliar su potencial”. “Estas redes nos permitirán implementar capacidades sorprendentes”, asegura.El logro de la reciente investigación no es solo la distancia de la comunicación, los 250 kilómetros entre las ciudades alemanas de Frankfurt y Kehl. Este mismo equipo había alcanzado un logro similar entre dos puntos a través de más de 600 kilómetros de cables. El resultado principal en esta ocasión es haber mantenido la coherencia de la comunicación cuántica utilizando una red de fibra óptica subterránea convencional y en condiciones ambientales habituales.Estos dos aspectos son claves, ya que, hasta ahora, la implementación de comunicaciones cuánticas se ve limitada por la necesidad de equipos especializados, como los criogénicos, para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto que precisan las partículas para preservar sus propiedades.Los cúbits, la unidad básica de información cuántica y con una capacidad exponencialmente mayor que el bit convencional, son extremadamente frágiles y propensos a errores debido a sus interacciones con el entorno. La expansión y contracción de las fibras ópticas por los cambios en las condiciones ambientales, como las fluctuaciones de temperatura, generan errores y les hacen perder coherencia.Pero la investigación que publica Nature, en línea con las anteriores del mismo equipo, ha conseguido superar esta importante limitación para el futuro internet cuántico. “Esta demostración indica que los protocolos avanzados de comunicaciones cuánticas que explotan la coherencia de la luz pueden funcionar sobre la infraestructura de telecomunicaciones existente”, defienden los investigadores.“Con las nuevas técnicas que hemos desarrollado, todavía son posibles nuevas extensiones de la distancia de comunicación para QKD [Quantum Key Distribution o distribución de claves cuánticas] y nuestras soluciones también se pueden aplicar a otros protocolos y aplicaciones de comunicaciones cuánticas”, afirmó Pittaluga tras el récord de 600 kilómetros.Antes de este experimento, los investigadores simularon las condiciones en laboratorio, pero en un entorno de temperatura controlada. Sin embargo, estas pruebas previas mostraron más fluctuaciones. Sobre condiciones de comunicación reales, el equipo consiguió preservar el sistema. “En los sistemas de comunicación cuántica, mantener la coherencia entre los estados cuánticos codificados por diferentes usuarios es crucial para el rendimiento del sistema y la minimización de errores”, detallan en el trabajo.Carlos Sabín, investigador Ramón y Cajal en el departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y ajeno al estudio, valora los resultados en Science Media Centre España: “Lo más novedoso de estos nuevos resultados es que se usa fibra óptica comercial ya existente y no se añade tecnología más sofisticada y habitual en laboratorios de física cuántica, como cavidades o refrigeradores para temperaturas ultrabajas. Los bits cuánticos usados son fotones generados con láseres, en contraste, por ejemplo, con otros experimentos anteriores, como el publicado el año pasado en Nature, en el que se generaba entrelazamiento cuántico en Boston entre sistemas experimentalmente más complicados, incluyendo el uso de cavidades. Esos sistemas podrían ser más adecuados para construir memorias cuánticas, pero el uso de fotones ópticos permite en cambio realizar comunicaciones cuánticas a distancias muy grandes”.El físico recuerda otro estudio reciente, publicado en Optica, que probaba el teletransporte cuántico con fotones y también en fibra óptica convencional y en uso, aunque a una distancia mucho menor, de unos 30 kilómetros, y con unas tasas de error del 10%“Estos nuevos resultados”, añade Sabín en relación con la publicación de este miércoles, “con unas pequeñas tasas de error alrededor del 5%, representan un paso adelante en la posibilidad de crear redes de comunicaciones basadas en la física cuántica e integradas en la tecnología de fibra óptica ya existente en nuestras ciudades, aunque conviene aclarar que estaríamos todavía en una etapa muy preliminar de desarrollo”.El equipo de Pittaluga considera que ha alcanzado un hito fundamental para el internet cuántico: “Nuestro trabajo demuestra la compatibilidad de las comunicaciones cuánticas basadas en coherencia con la infraestructura de red existente y la implementación práctica de un repetidor cuántico efectivo sobre redes comerciales. También logramos, hasta donde sabemos, las distancias más largas para QKD en el mundo real utilizando tecnología no refrigerada criogénicamente. Nuestros hallazgos confirman que las condiciones ambientales en los centros de telecomunicaciones operativos son comparables o incluso mejores que las simuladas en los laboratorios, lo que fomenta una mayor comercialización y creación de prototipos de equipos de comunicación cuántica coherentes. Este logro sienta las bases para futuras comunicaciones y redes cuánticas prácticas y de alto rendimiento”.Este alto rendimiento es otro de los retos de la comunicación cuántica. Los métodos tradicionales, como la distribución de claves cuánticas (QKD) con la que ha trabajado el equipo de Pittaluga, y otras, como el cifrado caótico, a menudo sacrifican velocidad o capacidad de transmisión en aras de la seguridad. Sin embargo, en un estudio de investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghái han presentado un marco integrado de cifrado y comunicación (IEAC) que combina una seguridad robusta con un rendimiento de transmisión de alta capacidad, a partir de aprendizaje profundo de extremo a extremo (E2EDL), para lograr una transmisión segura récord de 1 Tb por segundo a través de 1.200 kilómetros de fibra óptica, un hito en las comunicaciones a través de esta infraestructura, segura y de alta capacidad y larga distancia.“Nuestro trabajo cierra la brecha entre la seguridad y el rendimiento de transmisión en las comunicaciones ópticas. Al incorporar el cifrado en la capa física, IEAC allana el camino para redes seguras y de alto rendimiento capaces de soportar las demandas de datos impulsadas por la IA”, afirma Lilin Yi, coautor del estudio y profesor en la universidad de shanghainesa.