Fotónica
Un chip que entrelaza cuatro fotones abre la posibilidad de un cifrado cuántico a prueba de manipulaciones
10 de julio de 2024
El dispositivo se puede utilizar para implementar sistemas de intercambio en los que cualquier intento de acceso no autorizado alterará las correlaciones cuánticas, permitiendo la detección inmediata.
José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – A diferencia de los sistemas de cifrado clásicos, que se basan en algoritmos matemáticos, los sistemas cuánticos ofrecen seguridad basada en principios físicos. La detección de escuchas o interferencias está garantizada por la inevitable alteración de los estados cuánticos involucrados.
La comparación entre los dos sistemas es bastante impresionante. Actualmente, las supercomputadoras clásicas pueden tardar miles de años en descifrar códigos criptográficos robustos. Sin embargo, con la llegada de ordenadores cuánticos suficientemente potentes, esos mismos códigos pudieron descifrarse en segundos. “Esto pone de relieve la urgente necesidad de desarrollar e implementar protocolos de seguridad cuántica que sean inmunes a tales capacidades”, dice el investigador Paulo Henrique Dias Ferreira , del Departamento de Física de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar).
Durante su pasantía postdoctoral en el Politecnico di Milano, en Italia, se unió al equipo del profesor Roberto Osellame. Y ha realizado importantes contribuciones a la generación y caracterización de estados entrelazados de cuatro fotones GHZ (Greenberg-Horne-Zeilinger) en un chip fotónico. Un estudio sobre el tema fue publicado en la revista Quantum Information , del grupo Nature.
La figura muestra el diseño conceptual del dispositivo. Para cada qubit i , las guías de ondas superior e inferior codifican la base computacional {|0⟩ i , |1⟩ i }. La preparación del estado cuatripartito GHZ a lo largo de la línea discontinua (puntos y cruces que codifican los estados |0101⟩ y |1010⟩, respectivamente) está condicionada (“&” y flecha roja) a la detección de uno y sólo un fotón (punto rojo ) por qubit ( crédito: Información cuántica )
“Este trabajo, que combina la tecnología de puntos cuánticos con circuitos fotónicos de vidrio, supone un hito en la mejora e integración de dispositivos, abriendo nuevas posibilidades para una comunicación cuántica segura y eficiente”, afirma.
En el área de la información cuántica, un estado de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) es un determinado tipo de estado entrelazado que involucra al menos tres subsistemas (estados de partículas o qubits). Fue estudiado por primera vez a finales de los años 1980 por Daniel Greenberger, Michael Horne y Anton Zeilinger. En el estudio en cuestión, los circuitos se escribieron en un chip de vidrio, utilizando un láser de femtosegundo, creando guías de ondas tridimensionales que permiten la manipulación precisa de los fotones.
“Se optó por la producción con matriz de vidrio porque es fácil de crear prototipos. Además, permite, en una única etapa de fabricación, producir guías tridimensionales, a diferencia de los procesos tradicionales de litografía o haz de electrones. La reconfigurabilidad de los circuitos, lograda a través de desplazadores térmicos, permite ajustes finos en las fases ópticas de los fotones, esenciales para la formación de la superposición deseada”, informa Ferreira.
Para explicar la función del dispositivo en criptografía, utiliza una analogía: “Imagina que tienes cuatro monedas. En estado normal, cada moneda puede estar independientemente en posición de cara o cruz cuando una persona las lanza al azar. Sin embargo, en el estado entrelazado de GHZ, los cuatro fotones están conectados de una manera especial: todas las monedas, cuando se observen, serán cara o cruz, nunca en una combinación mixta. Este estado puede describirse matemáticamente como una superposición cuántica en la que cada fotón está entrelazado con los otros tres, sin ningún análogo clásico. La conexión es tan fuerte que cuando revisas un fotón, conoces instantáneamente el estado de los otros tres, sin importar qué tan lejos estén. En la analogía de la moneda, una vez que descubres que una sale cara [y no cruz], todas las demás saldrán cara”.
El fenómeno se puede utilizar para implementar sistemas cuánticos de intercambio de secretos, en los que un regulador comparte una clave con múltiples participantes de forma segura. Cualquier intento de acceso no autorizado altera las correlaciones cuánticas, permitiendo una detección inmediata. “Por ejemplo, si un intruso intenta medir el estado de una de las partículas para obtener información sobre la clave, esta medición inevitablemente colapsará el estado cuántico de esa partícula, alterando la correlación cuántica original entre todas las partículas involucradas. Cuando los participantes legítimos del protocolo comparan una parte de sus datos, pueden detectar discrepancias provocadas por esa interferencia”, destaca Ferreira.
El investigador sostiene que la aplicación de estados GHZ en transacciones comerciales no sólo fortalecerá la seguridad de las comunicaciones, sino que también ofrecerá un robusto mecanismo de detección de intrusiones, esencial para proteger datos sensibles en un mundo cada vez más digital e interconectado. “Los sistemas cuánticos, que utilizan estados GHZ y otros protocolos de entrelazamiento, ofrecen una solución que ni siquiera las computadoras cuánticas más avanzadas pueden descifrar. Esto se debe a que cualquier intento de interferir con un canal cuántico cambia los estados de las partículas involucradas, permitiendo la detección inmediata de cualquier intruso”, afirma.
La investigación demostró la viabilidad de generar estados entrelazados GHZ de alta fidelidad en un chip fotónico, allanando el camino para la producción de dispositivos cuánticos a escala. “Con avances continuos, podemos esperar la integración de estos sistemas en infraestructuras de comunicación e informática, proporcionando una nueva era de seguridad y eficiencia”, concluye Ferreira.
El estudio contó con el apoyo de la FAPESP a través de una beca de investigación en el extranjero otorgada al proyecto “ Producción de dispositivos para fotónica y sensores cuánticos integrados mediante microfabricación con láser de femtosegundo ”.
Se puede acceder al artículo Estados GHZ de cuatro fotones de alta fidelidad en un chip en: www.nature.com/articles/s41534-024-00830-z
FAPESP