- Las propiedades detectadas permiten garantizar que un sistema de comunicación es cuántico y, por tanto, seguro
- Los resultados se publican en Nature Communications y Physical Review Letters
- Entre los autores está Alejando Pozas-Kerstjens, investigador posdoctoral en el ICMAT
Alejandro Pozas-Kerstjens, en su despacho del ICMAT
Los protocolos de criptografía cuántica garantizan la detección de adversarios en las comunicaciones: si alguien los espía, es posible saberlo. Por ello, los adversarios maliciosos podrían tratar de engañar a los usuarios, haciéndolos creer que están compartiendo la información a través de sistemas cuánticos –en los que se detectaría su presencia– cuando en realidad están usando sistemas clásicos –en los que pueden pasar desapercibidos–. Por esta razón, es fundamental que los usuarios sean capaces de confirmar que están utilizando sistemas cuánticos para comunicarse. Ahora, gracias a dos trabajos recientemente publicados, que observan y garantizan la existencia de fuertes correlaciones cuánticas en redes, los usuarios podrán saberlo.
Para describir las correlaciones generadas por sistemas clásicos y cuánticos las matemáticas son clave: mientras que el primer caso se puede formular como un problema de programación lineal, el segundo se puede escribir en términos de programación semidefinida. En los nuevos trabajos publicados, se utiliza programación lineal para caracterizar las correlaciones clásicas en redes de comunicación, y se explota la llamada teoría de dualidad de los problemas de programación lineal para diseñar desigualdades, cuyo incumplimiento garantiza la presencia de correlaciones cuánticas.
En ambos trabajos, en los cuales participa Alejandro Pozas-Kerstjens, investigador postdoctoral en el ICMAT, se detecta una propiedad llamada no-localidad completa, definida por el investigador en otro artículo anterior. Esta asegura que las correlaciones generadas entre los usuarios de una red de comunicación cuántica no podrían haberse establecido si alguno de los elementos de la red estuviera descrito por la física clásica. De esta manera, la observación de no-localidad completa garantiza el funcionamiento cuántico de todos los elementos de la red de comunicación.
El primer trabajo, publicado hoy en Physical Review Letters y destacado en la revista como sugerencia del editor, se centra en la detección de no-localidad completa y pone el foco en lo que denominan “escapatorias” experimentales. Estas son estrategias con las que se podrían reproducir los resultados de experimentos cuánticos en sistemas clásicos, consiguiendo engañar a los usuarios. Estas escapatorias se consiguen, por ejemplo, si varios usuarios escogen sus medidas de manera sincronizada, si se comunican entre ellos, o si se usan fuentes no independientes.
“Para evitar estas escapatorias, situamos cada elemento de la red –que son láseres que distribuyen fotones entrelazados y aparatos que miden estos fotones – en diferentes edificios, separados por cientos de metros, y utilizamos generadores cuánticos de números aleatorios y óptica y electrónica ultrarrápida. Con esto, conseguimos llevar a cabo el experimento antes de que los elementos de la red pudieran coordinarse para simular los resultados que observamos”, explica Alejando Pozas-Kerstjens, investigador posdoctoral en el ICMAT y autor de los dos artículos en los que se presentan estos avances.
Cada elemento de la red está ubicado en diferentes edificios, separados por cientos de metros
“Así, somos capaces de demostrar la existencia de fenómenos cuánticos en un escenario paranoico, donde no pueden darse potenciales maneras de engaño”, asegura Pozas-Kerstjens. “Esto comprueba el carácter no-clásico de la naturaleza y ofrece un tipo de experimentos que podrían ser la base de protocolos de criptografía cuántica entre muchos usuarios”, añade.
El segundo trabajo detecta la no-localidad completa en redes más complejas. Los resultados de este experimento se publican en Nature Communications. En concreto, en el artículo se demuestra la presencia de no-localidad completa en una red de comunicación cuántica en forma de estrella, donde tres láseres distribuyen fotones entrelazados entre tres partes diferentes y un nodo central. Para ello, el equipo tuvo que diseñar los criterios necesarios para la detección y el modelado teórico del experimento.
“Nuestro experimento es el primero que detecta no-localidad completa en redes con más de tres usuarios”, explica Alejando Pozas-Kerstjens. “Realizar medidas conjuntas sobre más de dos fotones constituye un gran reto experimental”, añade. En la red experimental, el nodo central realiza una medida conjunta sobre tres fotones. Esto, precisamente, muestra que es posible utilizar este dispositivo para construir redes de comunicación cuánticas de alta complejidad que dan un paso más para que el internet cuántico sea una realidad.
Referencias:
Alejandro Pozas-Kerstjens, Nicolas Gisin, Armin Tavakoli. “Full network nonlocality”, Physical Review Letters Volume 128, Issue 1. 7 January 2022
Xue-Mei Gu, Liang Huang, Alejandro Pozas-Kerstjens, Yang-Fan Jiang, Dian Wu, Bing Bai, Qi-Chao Sun, Ming-Cheng Chen, Jun Zhang, Sixia Yu, Qiang Zhang, Chao-Yang Lu, Jian-Wei Pan. “Experimental full network nonlocality with independent sources and strict locality constraints”, Physical Review Letters. May 2023
Ning-Ning Wang, Alejandro Pozas-Kerstjens, Chao Zhang, Bi-Heng Liu, Yun-Feng Huang, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo, Nicolas Gisin, Armin Tavakoli. “Certification of non-classicality in all links of a photonic star network without assuming quantum mechanics”, Nature Communications Volume 14, Issue 1. 14 April 2023