![\"\"](\"https:\/\/i0.wp.com\/revistaidees.cat\/wp-content\/uploads\/2024\/02\/7.png?resize=796%2C400&ssl=1\")
La distancia m\u00e1xima de la comunicaci\u00f3n cu\u00e1ntica en las fibras \u00f3pticas se limita a unos pocos centenares de kil\u00f3metros, a causa de las p\u00e9rdidas de la fibra \u00f3ptica y tambi\u00e9n por el hecho de que los bits cu\u00e1nticos no se pueden amplificar sin a\u00f1adir un ruido que impedir\u00eda una comunicaci\u00f3n fiel. Las redes cu\u00e1nticas ofrecen una soluci\u00f3n a este problema mediante la implantaci\u00f3n de repetidores cu\u00e1nticos que combinan la distribuci\u00f3n del entrelazamiento y un dispositivo denominado memoria cu\u00e1ntica, que permite almacenar el entrelazamiento en un sistema material. La implantaci\u00f3n de repetidores cu\u00e1nticos permitir\u00e1 enlaces completamente cu\u00e1nticos a distancias continentales. Sin embargo, habr\u00e1 que superar muchas dificultades t\u00e9cnicas antes de poder implantar un repetidor cu\u00e1ntico completo.<\/p>\n\n\n\n Adem\u00e1s de la distribuci\u00f3n de claves cu\u00e1nticas (QKD), tambi\u00e9n se han propuesto varias aplicaciones futuras que podr\u00edan utilizar la distribuci\u00f3n del entrelazamiento cu\u00e1ntico, sobre todo en los campos de la computaci\u00f3n y la metrolog\u00eda cu\u00e1nticas. Con respecto a la computaci\u00f3n, los primeros ordenadores cu\u00e1nticos ser\u00e1n probablemente grandes m\u00e1quinas ubicadas en laboratorios espec\u00edficos, parecidos a los superordenadores actuales. El internet cu\u00e1ntico permitir\u00e1 a usuarios distantes conectarse a estos ordenadores cu\u00e1nticos en la nube de una manera segura y confidencial, de manera que nadie \u2014ni siquiera el mismo ordenador cu\u00e1ntico\u2014 sabr\u00e1 qu\u00e9 c\u00e1lculo se est\u00e1 llevando a cabo. Otra potente aplicaci\u00f3n futurista ser\u00e1 reunir ordenadores cu\u00e1nticos. Dado que cada ordenador cu\u00e1ntico tiene un n\u00famero limitado de qbits, el hecho de conectarlos mediante enlaces fot\u00f3nicos permitir\u00e1 acceder a un n\u00famero mucho mayor de qbits y, por lo tanto, aumentar considerablemente la potencia de c\u00e1lculo. Adem\u00e1s de las aplicaciones de computaci\u00f3n, las futuras redes cu\u00e1nticas tambi\u00e9n tendr\u00e1n aplicaciones en metrolog\u00eda cu\u00e1ntica. Por ejemplo, se ha demostrado que las redes de relojes \u00f3pticos entrelazados permitir\u00edan una sincronizaci\u00f3n m\u00e1s precisa. Igualmente, se ha constatado que la construcci\u00f3n de conjuntos de telescopios que compartieran entrelazados podr\u00eda elevar la l\u00ednea de base y aumentar la sensibilidad, hecho que dar\u00eda lugar a aplicaciones en astronom\u00eda.<\/p>\n\n\n\n La criptograf\u00eda cu\u00e1ntica permitir\u00e1 llegar a una comunicaci\u00f3n segura imposible de piratear, incluso con recursos computacionales ilimitados y algoritmos potentes<\/p>\n<\/blockquote>\n<\/div>\n\n\n\n Las funcionalidades del internet cu\u00e1ntico son fundamentalmente diferentes del internet cl\u00e1sico, por lo cual los dos tipos de red son complementarios. El internet cu\u00e1ntico no sustituir\u00e1 el cl\u00e1sico, sino que lo complementar\u00e1 con capacidades antes imposibles. Aunque ya hay varias aplicaciones del internet cu\u00e1ntico, hay que se\u00f1alar que la mayor\u00eda de las aplicaciones actuales que permite el internet cl\u00e1sico no estaban previstas cuando se desarrollaron las primeras versiones de internet. Por lo tanto, es razonable esperar que se produzca una evoluci\u00f3n similar con el internet cu\u00e1ntico y que se descubran nuevas aplicaciones en las diferentes etapas de despliegue.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n La seguridad de los esquemas criptogr\u00e1ficos actuales que protegen la transmisi\u00f3n de datos financieros, sanitarios y gubernamentales se basa en la dificultad en resolver problemas matem\u00e1ticos complejos. El m\u00e1s utilizado es el llamado protocolo criptogr\u00e1fico RSA (por el nombre de sus inventores, Rivest, Shamir y Adleman), cuya seguridad se basa en la dificultad pr\u00e1ctica en factorizar n\u00fameros grandes. Peter Shor, profesor del MIT, descubri\u00f3 un algoritmo de factorizaci\u00f3n cu\u00e1ntica eficiente que permitir\u00eda factorizar estos n\u00fameros. As\u00ed pues, la \u00fanica raz\u00f3n por la cual el RSA sigue siendo un protocolo de encriptaci\u00f3n viable hoy d\u00eda es que el algoritmo de Peter Shor requiere un ordenador cu\u00e1ntico tolerante a fallos con el fin de poder funcionar; esta tecnolog\u00eda, aunque no est\u00e1 disponible en la actualidad, est\u00e1 evolucionando r\u00e1pidamente y se espera que sea una realidad en las pr\u00f3ximas d\u00e9cadas. Y, cuando lo haga, los algoritmos de clave asim\u00e9trica que se utilizan hoy en internet dejar\u00e1n de ser seguros.<\/p>\n\n\n\n Una alternativa para contrarrestar ataques futuros es crear algoritmos y protocolos que requieran la soluci\u00f3n de problemas que no se pueden abordar f\u00e1cilmente con ninguna tecnolog\u00eda computacional. Los algoritmos de criptograf\u00eda postcu\u00e1ntica (PQC, por las siglas en ingl\u00e9s), concebidos para proporcionar seguridad computacional, no son, en principio, susceptibles de sufrir los ataques que actualmente se llevan a cabo con un ordenador cu\u00e1ntico. Se espera que los algoritmos de criptograf\u00eda postcu\u00e1ntica puedan funcionar como una herramienta de software, con una posible aceleraci\u00f3n de hardware. La complejidad computacional para los usuarios de confianza \u2014es decir, los recursos necesarios para encriptar y desencriptar el mensaje con la clave\u2014 tendr\u00eda que ser aceptable para la aplicaci\u00f3n en cuesti\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n A diferencia de los algoritmos que ofrecen seguridad computacional, la distribuci\u00f3n de claves cu\u00e1nticas puede proporcionar seguridad te\u00f3rica de la informaci\u00f3n; es decir, una seguridad que no se base en la dificultad en resolver determinados problemas, sino que se demuestre mediante pruebas matem\u00e1ticas s\u00f3lidas basadas en principios fundamentales de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica \u2014por ejemplo, el principio de incertidumbre y el teorema de no clonaci\u00f3n. Aunque pueden utilizar componentes diferentes, las numerosas variantes de la distribuci\u00f3n de claves cu\u00e1nticas se basan en el mismo esquema, que implica dos partes (A y B) que conf\u00edan la una en la otra y quieren compartir una clave secreta que pueden utilizar para comunicaciones confidenciales futuras. La clave secreta se transmite enviando qbits fot\u00f3nicos o entrelazamientos entre A y B mediante un canal cu\u00e1ntico (por ejemplo, una fibra \u00f3ptica) que los conecta. Si una persona que escucha clandestinamente (C) ataca el canal cu\u00e1ntico, sus par\u00e1metros se alterar\u00e1n invariablemente. A y B pueden cuantificar esta alteraci\u00f3n, cosa que puede garantizar que la clave secreta final se genere a partir de una informaci\u00f3n desconocida para la tercera persona (C). [2]<\/a>2 \u2014 Bennett, C. H., G. Brassard, G., Ekert, A. K. (1992). Scientific American 267, 50\u201357.\n<\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n La seguridad perfecta es intr\u00ednsecamente imposible en escenarios realistas, pero podemos dise\u00f1ar sistemas que, si se implantan correctamente, tengan una probabilidad de fallar ante un posible ataque que se limite a un valor muy peque\u00f1o, \u03f5 (del orden de 10-10 o menos), incluso utilizando futuros ordenadores cu\u00e1nticos de gran potencia. Para algunos esquemas criptogr\u00e1ficos, como la distribuci\u00f3n de claves cu\u00e1nticas, el valor \u03f5 es f\u00e1cil de calcular en determinadas condiciones; en cambio, para los sistemas que se basan en la seguridad computacional, el progreso matem\u00e1tico podr\u00eda, en el peor de los casos, destruir la seguridad en cualquier momento y, por lo tanto, la probabilidad de fallo no es f\u00e1cil de calcular. Adem\u00e1s, la probabilidad de \u00e9xito de un ataque desde el punto de vista computacional aumenta con el tiempo, a medida que los avances tecnol\u00f3gicos ponen m\u00e1s recursos a disposici\u00f3n del atacante. Eso genera una situaci\u00f3n inaceptable en aplicaciones que necesitan seguridad a largo plazo. Los flujos de informaci\u00f3n especialmente sensible podr\u00edan ser objeto de intentos de \u201calmacenar ahora y atacar despu\u00e9s\u201d, en los cuales los intrusos capturan informaci\u00f3n encriptada en determinados momentos con la esperanza de desencriptarla en el futuro, cuando dispongan de recursos computacionales o algoritmos m\u00e1s potentes..<\/p>\n\n\n La comunicaci\u00f3n cu\u00e1ntica se suele alcanzar enviando fotones a trav\u00e9s de fibras \u00f3pticas a largas distancias. Sin embargo, las fibras \u00f3pticas sufren una atenuaci\u00f3n que aumenta exponencialmente con la distancia. Aunque la fibra \u00f3ptica est\u00e1ndar es uno de los materiales m\u00e1s transparentes que hay, las p\u00e9rdidas se vuelven muy significativas al cabo de unas decenas de kil\u00f3metros. Por ejemplo, s\u00f3lo el 1% de la luz se transmite al cabo de 1.000 kil\u00f3metros. En la comunicaci\u00f3n cl\u00e1sica, esta p\u00e9rdida se compensa colocando dispositivos amplificadores de luz cada 50 o 100 kil\u00f3metros a lo largo de la red de fibra instalada. Estos amplificadores son los que hacen posible internet tal como hoy lo conocemos, al permitir que la luz se transmita a trav\u00e9s de fibras \u00f3pticas a distancias globales. Ahora bien, el uso de estos amplificadores no es posible en la comunicaci\u00f3n cu\u00e1ntica, porque los qbits no se pueden copiar sin a\u00f1adir ruido al canal cu\u00e1ntico y no hacer imposible la comunicaci\u00f3n. Eso, en la pr\u00e1ctica, limita las comunicaciones cu\u00e1nticas a trav\u00e9s de fibra \u00f3ptica a unos centenares de kil\u00f3metros como m\u00e1ximo.<\/p>\n\n\n\n Hay dos soluciones a este problema. La primera es enviar qbits fot\u00f3nicos por el espacio libre mediante sat\u00e9lites; este m\u00e9todo ha demostrado la posibilidad de llevar a cabo la comunicaci\u00f3n cu\u00e1ntica adem\u00e1s de 1.000 kil\u00f3metros de distancia. Si, al contrario, queremos quedarnos en el suelo y utilizar fibra \u00f3ptica, se ha propuesto el uso de repetidores cu\u00e1nticos que utilizan el entrelazamiento como recurso principal. La idea b\u00e1sica que hay detr\u00e1s del repetidor cu\u00e1ntico es dividir la distancia total en varios enlaces elementales, generar entrelazamiento de manera independiente entre los nodos cu\u00e1nticos de cada enlace y, a continuaci\u00f3n, extender el entrelazamiento a nodos cada vez m\u00e1s distantes mediante una t\u00e9cnica denominada intercambio de entrelazamiento (ved la figura 2). Una vez distribuido el entrelazamiento entre nodos distantes, se puede utilizar para varias tareas, como la distribuci\u00f3n de claves cu\u00e1nticas mediante estados entrelazados o la transmisi\u00f3n de un qbit con una t\u00e9cnica denominada teleportaci\u00f3n cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n La construcci\u00f3n de un repetidor cu\u00e1ntico funcional que pueda transmitir entrelazamiento cu\u00e1ntico a distancias superiores con la transmisi\u00f3n directa es un reto experimental y t\u00e9cnico formidable, que implicar\u00e1 la generaci\u00f3n eficiente de entrelazamiento de alta fidelidad entre sistemas materiales remotos, cosa que, a su vez, requerir\u00e1 nodos cu\u00e1nticos de alto rendimiento, que combinen memoria cu\u00e1ntica y fuente de entrelazamiento. Adem\u00e1s, la tecnolog\u00eda utilizada tiene que ser robusta y capaz de funcionar fuera de un entorno de laboratorio controlado. Todos estos retos se est\u00e1n abordando actualmente bajo los auspicios de un importante programa europeo, la Quantum Internet Alliance, y se espera que en los pr\u00f3ximos a\u00f1os se hagan avances significativos.<\/p>\n\n\n\n Como pasa con cualquier nueva tecnolog\u00eda, con el fin de que internet y las redes cu\u00e1nticas tengan un impacto industrial y social es obligatorio alcanzar un alto nivel de miniaturizaci\u00f3n e integraci\u00f3n. La integraci\u00f3n permite reducir las dimensiones de los dispositivos y los sistemas que proporcionan las funcionalidades requeridas, disminuye el consumo de energ\u00eda y hace posible la producci\u00f3n de grandes vol\u00famenes de hardware a bajo coste. Para simplificar, se pueden definir dos niveles diferentes de integraci\u00f3n: en primer lugar, el nivel tecnol\u00f3gico, el objetivo del cual es miniaturizar los subsistemas de comunicaci\u00f3n cu\u00e1ntica en una combinaci\u00f3n de circuitos fot\u00f3nicos y electr\u00f3nicos integrados; y, en segundo lugar, el nivel de red, que implica la integraci\u00f3n de la comunicaci\u00f3n cu\u00e1ntica en la infraestructura cl\u00e1sica, como tambi\u00e9n el software de gesti\u00f3n, el despliegue a gran escala y la capacidad de actualizaci\u00f3n de internet y las redes cu\u00e1nticas.<\/p>\n\n\n
Internet y las redes cu\u00e1nticas ofrecen un n\u00famero significativo de funcionalidades y servicios \u00fanicos que no son posibles en la comunicaci\u00f3n cl\u00e1sica. [1]<\/a>1 \u2014 S. Wehner, S., Elkouss, D., Hanson, R. (2018). Science 362, 6412.\n<\/span><\/span> La criptograf\u00eda cu\u00e1ntica, que describiremos detalladamente m\u00e1s adelante, es probablemente la m\u00e1s avanzada de estas funcionalidades, y consiste en distribuir claves secretas hechas de qbits (claves cu\u00e1nticas), que despu\u00e9s se utilizan para encriptar y desencriptar mensajes entras dos partes que se comunican. En la pr\u00e1ctica, la criptograf\u00eda cu\u00e1ntica combina la distribuci\u00f3n de claves cu\u00e1nticas (QKD, por las siglas en ingl\u00e9s) y los protocolos de criptograf\u00eda cl\u00e1sica para llegar a una comunicaci\u00f3n segura imposible de piratear, incluso con recursos computacionales ilimitados (por ejemplo, ordenadores cu\u00e1nticos) y algoritmos potentes. En junio de 2019, los 27 estados miembros de la Uni\u00f3n Europea acordaron construir la Infraestructura Europea de Comunicaci\u00f3n Cu\u00e1ntica (EuroQCI), una infraestructura de comunicaci\u00f3n cu\u00e1ntica segura que abarcar\u00e1 toda la UE, incluidos los territorios de ultramar. En el \u00faltimo apartado de este art\u00edculo, presentaremos el plan inicial para desplegar el EuroQCI en el \u00e1rea metropolitana de Barcelona.<\/p>\n\n\n\n\n
Criptograf\u00eda cu\u00e1ntica<\/h5>\n\n\n\n
![\"\"](\"https:\/\/i0.wp.com\/revistaidees.cat\/wp-content\/uploads\/2024\/02\/ARTICLE-10.2.png?resize=1024%2C554&ssl=1\")
La criptograf\u00eda cu\u00e1ntica es un \u00e1mbito muy interesante de investigaci\u00f3n, con aplicaciones que van m\u00e1s all\u00e1 de la distribuci\u00f3n de claves cu\u00e1nticas; por ejemplo, el c\u00e1lculo seguro multipartito, el almacenaje seguro a largo plazo (LTSS, por las siglas en ingl\u00e9s) basado en el intercambio proactivo y la distribuci\u00f3n de claves cu\u00e1nticas, y tambi\u00e9n la metrolog\u00eda y la detecci\u00f3n cu\u00e1nticas. A pesar de que menos maduras que la distribuci\u00f3n de claves cu\u00e1nticas, estas aplicaciones tienen el potencial de alcanzar ventajas cu\u00e1nticas en las redes b\u00e1sicas.<\/p>\n\n\n\nMemorias y repetidores cu\u00e1nticos<\/h5>\n\n\n\n
![\"\"](\"https:\/\/i0.wp.com\/revistaidees.cat\/wp-content\/uploads\/2024\/02\/9.png?resize=1024%2C410&ssl=1\")
Un componente clave de los repetidores cu\u00e1nticos es un dispositivo que permite almacenar el entrelazamiento en un enlace hasta que los otros enlaces est\u00e9n preparados: es lo que se conoce como memoria cu\u00e1ntica. [3]<\/a>3 \u2014 Afzelius, M., Gisin, N., de Riedmatten, H. (2015). Physics Today 68 (12), 42.\n<\/span><\/span> El almacenaje del entrelazamiento permite que los diferentes enlaces elementales se entrelacen de manera independiente (es decir, no tienen que funcionar simult\u00e1neamente), lo cual posibilita la distribuci\u00f3n del entrelazamiento a un ritmo que no disminuye exponencialmente con la distancia. En general, la implantaci\u00f3n de una memoria cu\u00e1ntica por luz requiere una interacci\u00f3n coherente y fuerte entre fotones y alg\u00fan tipo de sistema at\u00f3mico que permita almacenar informaci\u00f3n cu\u00e1ntica en coherencias at\u00f3micas de larga duraci\u00f3n. Actualmente, se est\u00e1n explorando varios sistemas f\u00edsicos, como los gases at\u00f3micos fr\u00edos y los sistemas de estado s\u00f3lido basados en cristales dopados con tierras raras. Aunque en la \u00faltima d\u00e9cada se han hecho avances importantes, la construcci\u00f3n de una memoria cu\u00e1ntica eficiente, duradera y de alta fidelidad, capaz de soportar un nivel alto de multiplexaci\u00f3n que permita una tasa elevada de entrelazamiento, sigue siendo un reto experimental pendiente y un campo de investigaci\u00f3n activo. M\u00e1s all\u00e1 de los dispositivos de memoria cu\u00e1ntica, otro reto para los repetidores cu\u00e1nticos es desarrollar fuentes adecuadas de entrelazamiento fot\u00f3nico para interactuar con las memorias cu\u00e1nticas, es decir, que emitan fotones capaces de interactuar eficazmente con el sistema de memoria at\u00f3mica.<\/p>\n\n\n\nMiniaturizaci\u00f3n e integraci\u00f3n mediante circuitos fot\u00f3nicos integrados<\/h5>\n\n\n\n
![\"\"](\"https:\/\/i0.wp.com\/revistaidees.cat\/wp-content\/uploads\/2024\/02\/ARTICLE-10.4.png?resize=451%2C259&ssl=1\")
Con respecto a la integraci\u00f3n de tecnolog\u00edas, como los chips electr\u00f3nicos que manipulan spins electr\u00f3nicos, los circuitos fot\u00f3nicos integrados permiten la miniaturizaci\u00f3n gracias al hecho que los fotones, portadores primarios de las se\u00f1ales, son guiados y procesados en peque\u00f1as dimensiones. Los circuitos fot\u00f3nicos integrados tambi\u00e9n permiten alcanzar un rendimiento sin precedentes en aplicaciones cu\u00e1nticas como, por ejemplo, la generaci\u00f3n cu\u00e1ntica de n\u00fameros aleatorios, [4]<\/a>4 \u2014 Abellan, C., Amaya, W., Domenech, D., Mu\u00f1oz, P. Capmany, J., Longhi, S., M. W. Mitchell, M. W., Pruneri, V. (2016). Optica 9, 989.\n<\/span><\/span> las fuentes de entrelazamiento, las memorias cu\u00e1nticas y la computaci\u00f3n, para citar s\u00f3lo algunas. De hecho, en las tecnolog\u00edas de la informaci\u00f3n y la comunicaci\u00f3n que utilizan fotones siempre hay una interconexi\u00f3n optoelectr\u00f3nica que permite convertir las se\u00f1ales el\u00e9ctricas en hom\u00f3logos fot\u00f3nicos y viceversa. Eso significa que hacen falta placas de circuitos electr\u00f3nicos para llevar a cabo la conducci\u00f3n y la lectura de los circuitos fot\u00f3nicos integrados. El hardware de las redes cu\u00e1nticas y de internet incluir\u00e1 circuitos fot\u00f3nicos integrados y placas de circuitos electr\u00f3nicos, y la integraci\u00f3n optoelectr\u00f3nica tendr\u00e1 un papel esencial. El hardware, pues, requiere una interfaz de software que permita al usuario final utilizarlo en aplicaciones. [5]<\/a>5 \u2014 Aldama, J., Sarmiento, S. L\u00f3pez Grande, I. H., Signorini,, S., Trigo Vidarte, L., Pruneri, V. & Light, J. (2022) Technol 40, 7498.\n<\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n
![\"\"](\"https:\/\/i0.wp.com\/revistaidees.cat\/wp-content\/uploads\/2024\/02\/8.png?resize=1024%2C434&ssl=1\")