5 claus per entendre la informació i la computació quàntiques

En la teoria de la informació clàssica, la informació es mesura en bits, que poden prendre dos valors, 0 i 1. Ens ho podem imaginar com un interruptor que pot tenir dos estats: apagat (0) o encès (1).

En la teoria de la informació quàntica, en canvi, podem codificar la informació en un sistema més complex, el qubit, un sistema quàntic que pot trobar-se en l’estat 0 o 1, però també en qualsevol combinació o superposició d’aquests dos estats. El qubit pot, a priori, tenir una infinitat d’estats que podem imaginar com tots els punts sobre una esfera.

En general, parlem de comunicació quàntica quan hi ha transmissió d’informació aprofitant els efectes quàntics. A banda de la superposició, dos altres fenòmens són especialment importants: l’entrellaçament i la no-localitat.

Al món quàntic, dues partícules poden trobar-se entrellaçades, de manera que el que li passa a una està lligat al que li passa a l’altra, malgrat que estiguin separades per grans distàncies. Això permet que si mesurem l’estat d’una de les partícules, també podem arribar a conèixer l’estat de l’altra.

El que ens diu la no-localitat és que la informació disponible en l’entorn local, allà on fem una mesura quàntica, no depèn només d’aquest entorn local, sinó que està també influïda per efectes a grans distàncies, i per tant la informació local no és l’única que veiem quan fem una mesura. Aquesta no-localitat és el resultat de l’entrellaçament entre dos sistemes quàntics.

Gràcies a aquestes propietats, es pot certificar l’aleatorietat de processos, o millorar la ciberseguretat mitjançant protocols de criptografia amb seguretat basada en la no-localitat quàntica.  Aquesta és precisament una de les línies de recerca de l’investigador ICREA Antonio Acín de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), que es basa, per exemple, en el que es coneix com la violació de les desigualtats de Bell, una metodologia per a demostrar si un procés és realment quàntic i, per tant, té una aleatorietat intrínseca que no pot reproduir-se a partir de la física clàssica.

Aprofitant-nos de propietats com la superposició i la interferència quàntica, que permet amplificar la probabilitat de “bones solucions” entre un conjunt de solucions possibles, podem desenvolupar algoritmes quàntics que fan multitud de càlculs en paral·lel i testegen alhora moltes solucions a un mateix problema.

En aquests algoritmes, una de les peces claus és la manipulació i lectura dels estats quàntics que codifiquen la informació, com per exemple les propietats d’un fotó o d’un àtom. La recerca de l’investigador ICREA Sergio Valenzuela a l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) permet crear dispositius dissenyats a mida per aquests algoritmes, siguin de correcció d’errors o optimització i simulació de processos. El seu camp d’expertesa és la spintrònica, que fa servir no només la càrrega elèctrica de les partícules –que és la base de l’electrònica clàssica– sinó també el seu ‘spin’ –l’orientació– per a emmagatzemar i processar informació. Els electrons, per exemple, tenen dos possibles spins: up i down, que ens podem imaginar com imants molt petits que apunten amunt o avall dins de l’àtom.

Amb la spintrònica podrem dissenyar dispositius quàntics que superin amb escreix les funcionalitats dels ordinadors i telèfon mòbils actuals, com també els microcontroladors de seguretat en cotxes o els processos d’automatització industrial.

Ras i curt, un ordinador quàntic és un dispositiu que fa servir els principis de la física quàntica per a resoldre problemes. N’hi ha de diferents tipus, però potser els més coneguts són els de qubits superconductors i els de qubits d’ions atrapats.

Els primers fan servir circuits superconductors que treballen a temperatures molt baixes, per sota dels 200 graus sota zero, o a prop del que es coneix com el zero absolut. Aquesta és la tecnologia que es fa servir en el superodinador instal·lat recentment al BSC a Barcelona i també empreses com IBM o Google.

En el cas de la tecnologia d’ions atrapats, es manipulen àtoms carregats amb làsers. D’aquesta manera els podem aturar i confinar típicament en una línia de partícules, on cada ió actua com a un petit imant (un qubit o bit quàntic) en el qual es codifica la informació. Aquesta tecnologia l’usen companyies com IonQ o Honeywell en el desenvolupament dels seus ordinadors quàntics.

Però encara hi ha altres opcions, com els simuladors quàntics d’àtoms neutres ultrafreds. La Leticia Tarruell, investigadora ICREA a l’ICFO, és una de les pioneres d’aquest camp. Ella va ser la primera a muntar laboratoris d’àtoms freds en el règim quàntic a l’Estat, on fan servir àtoms d’estronci, a temperatures encara més baixes i amb manipulació làser, per a crear i controlar sistemes de moltes partícules per a la simulació quàntica avançada.

Tots els missatges, documents i aplicacions encriptades que coneixem podrien desxifrar-se en segons si avui tinguéssim un ordinador quàntic. Pensant precisament en la ciberseguretat del futur, l’investigador ICREA Valerio Pruneri de l’ICFO ha desenvolupat amb el seu grup d’investigació la tecnologia CV-QKD, de Distribució de Claus Quàntiques de Variables Contínues, per les seves sigles en anglès.

CV-QKD és una tecnologia emergent dins la criptografia quàntica que aprofita les propietats físiques de la llum per a establir claus de seguretat impossibles d’interceptar sense ser detectat. L’equip de Pruneri treballa amb polsos coherents febles, una llum làser de baixa intensitat en un estat en el qual el principi d’incertesa de Heisenberg esdevé rellevant. Aquesta tecnologia genera polsos làser atenuats tot modulant el que es coneixen com les quadratures del camp electromagnètic – aquestes quadratures són com dues “vibracions” bàsiques d’un oscil·lador quàntic, anàlogues a la posició i el moment (i, per tant, la velocitat) en la descripció del moviment d’una partícula. Treballant en aquest règim, un espia no podria interferir en la comunicació sense deixar un rastre que els usuaris honestos poden quantificar per actuar en conseqüència.

CV-QKD és especialment interessant perquè es pot desplegar sobre les xarxes de fibra òptica que ja tenim, fent-la més viable per a aplicacions reals en telecomunicacions. A més, és una candidata prometedora per a la protecció de dades sensibles en àmbits com la banca, la salut o les comunicacions governamentals. En definitiva, CV-QKD representa un pas endavant cap a la seguretat quàntica pràctica, combinant innovació científica amb aplicabilitat industrial.