La magia del 1 y el 0 y todas sus posibilidades
La idea del entrelazamiento que posibilita la comunicación cuántica parece mágica, pero se puede tratar de hacer alguna analogía. Imaginemos que viviésemos en un mundo 2D, es decir, en la superficie de un papel. El mundo 3D, la tercera dimensión sería algo difícil de imaginar, algo mágico.
Si en ese mundo 2D hubiera que ir desde un punto a otro bastante distantes en ese mundo plano, se podría tener incluso varios caminos, que evitasen obstáculos. Si alguien doblase ese papel y pusiera un punto encima del otro, para él, esos puntos ahora estarían juntos, mientras que para los habitantes del mundo plano sería algo difícil de entender. El entrelazamiento cuántico no se basa en una dimensión extra como en esta analogía, sino a la diferente naturaleza del espacio-tiempo en sistemas microscópicos, frente a los macroscópicos en los que nos movemos los humanos.
Un primer problema es que los emuladores necesitan una enorme cantidad de memoria para simular uno cuántico, por eso sólo se pueden instalar en centros de supercomputación como Scayle. Otro problema es que los computadores cuánticos no son realmente ordenadores de propósito general, son más bien, aceleradores para algunos cálculos concretos, como las tarjetas gráficas de los ordenadores convencionales. Por ello, el diseño de software híbrido, que combine la computación tradicional con la cuántica es otra de las líneas de trabajo de Scayle en este campo.
La informática convencional se basa en los bits. Un bit es un variable, una caja, en la que cabe sólo un 1 o un 0. Eso quiere decir que si tuviésemos un ordenador con tres bits (tres cajas) sólo podríamos almacenar en un momento determinado un único número entre 0 y 7, porque con tres bits sólo tenemos 8 combinaciones posibles: 000, 001, 010, 011, hasta el 111, que son la representación en binario del 0 al 7. Si quisiéramos almacenar tres números, por ejemplo, el 0, el 2 y el 3, necesitaríamos 9 cajas. Tres para representar el cero (cada uno de los bits 000), otras tres para el dos (010) y otras tres para el tres (011).
En un ordenador cuántico, en vez de bits hay cubits, bits cuánticos. Un bit cuántico tiene en superposición el uno y el cero a la vez, lo que hace que pueda almacenar de cierta forma los tres números anteriores (0,2 y 3) en tres cajas, en vez de en nueve.
Las comunicaciones cuánticas hacen uso de otro de los principios de la mecánica cuántica, el «entrelazamiento». Ese principio lo que dice es que cuando dos partículas, fotones, habitualmente, se entrelazan, pasan a comportarse como si fuesen una, incluso aunque estén separadas físicamente. Es decir, si se cambia el estado de una de ellas, instantáneamente, cambia el de la otra, teniendo en cuenta que «mirar» el estado de una partícula ya es cambiar su estado.
Esto dicho así parece que no tiene mucha importancia, pero los fotones es lo que se usa para transmitir los 1 y los 0 por las redes de fibra óptica. Lo que se hace es modificar el fotón de cierta forma para que signifique un uno, y de otra para que sea un cero y enviarlos a la velocidad de la luz por la fibra óptica. Así es como se transmite toda la información por la red, si usted está leyendo esto en una pantalla, así habrán llegado los miles de ceros y unos que forman este artículo a su pantalla, por alguna fibra.
Este fenómeno del entrelazamiento no sirve para transmitir información «instantáneamente», pero sí sirve para saber si ese fotón que se ha transmitido ha sido «manipulado» por el camino. Si alguien lo toca, se puede saber que lo han «mirado» porque el estado del fotón que no hemos enviado cambia instantáneamente. Esto es muy relevante para la seguridad informática. No es útil para el envío seguro de la información, porque no impide que la información se pueda ver, ni tampoco mejora la velocidad, porque se sigue enviando el fotón por la fibra, pero sí permite saber que lo que se envía no ha sido visto por el camino, lo que es muy útil para intercambiar las claves con las que se cifra la información.
Ahora mismo, para intercambiar información cifrada entre dos puntos hay que asegurar que la clave se lleva de un sitio a otro de forma segura. Es muy usual llevarla en un método físico (desde un papel, a un disco) para asegurar que nadie la «consigue» por el camino. Eso hace que cambiar las claves sea muy costoso y se cambien poco, o con métodos poco seguros.
Los sistemas cuánticos de comunicaciones permiten «intercambiar las claves» con las que se cifra la información asegurando que la clave no se ha «filtrado» por el camino. De esta forma, los sistemas cuánticos de intercambio de claves permitirán (QKD) intercambian las claves varias veces por segundo, haciendo muy difícil, o imposible, romper la seguridad de las comunicaciones.