El chip Microlaser añade nuevas dimensiones a la comunicación cuántica

investigadores en papelera de ingeniería Ha creado un chip que supera en seguridad y potencia a los actuales dispositivos de comunicación cuántica. Su tecnología se comunica en «qudits», duplicando el espacio de información cuántica de cualquier láser anterior en un chip.

Liang Feng, Profesor en los Departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) y Sistemas Eléctricos e Ingeniería (ESE), junto con el becario postdoctoral de MSE Zhifeng Zhang y ESE Ph.D. Estudiante Haoqi Zhao, por primera vez la tecnología en Un estudio reciente publicado en la revista Nature. El grupo trabajó en colaboración con científicos de la Universidad Politécnica de Milán, el Instituto de Física Interdisciplinaria y Sistemas Complejos, la Universidad de Duke y la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY).

Bits, Qubits y Qudits

Mientras que los chips no cuánticos almacenan, transmiten y calculan datos usando qubits, los últimos dispositivos cuánticos usan qubits. Los bits pueden ser 1 o 0 segundos, mientras que los bits son unidades de información digital que pueden ser 1 y 0 al mismo tiempo. En mecánica cuántica, este estado de simultaneidad se denomina «superposición».

Un qubit en el caso de una superposición de más de dos niveles se denomina qudit para indicar estas dimensiones adicionales.

Feng dice: «En la comunicación clásica, un láser puede emitir un pulso codificado como 1 o 0. Estos pulsos pueden ser reproducidos fácilmente por un interceptor que busque robar información y, por lo tanto, no son muy seguros. En la comunicación cuántica con qubits, un pulso puede tienen cualquier estado de superposición entre 1 y 0. La superposición hace que los pulsos sean tales que un pulso cuántico no se puede copiar. A diferencia de la criptografía algorítmica, que evita que los piratas informáticos utilicen matemáticas complejas, la criptografía cuántica es un sistema físico que mantiene la información segura”.

Los qubits, sin embargo, no son perfectos. Con solo dos niveles de superposición, el qubit tiene un espacio de almacenamiento limitado y una baja tolerancia a las interferencias.

los laboratorio feng Los qudits de cuatro niveles permiten que el dispositivo haga avances significativos en la criptografía cuántica, elevando la tasa máxima de secreción de claves para el intercambio de información de 1 bit por pulso a 2 bits por pulso. El dispositivo proporciona cuatro niveles de superposición y abre la puerta a mayores aumentos dimensionales.

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«El mayor desafío fue la complejidad y la falta de escalabilidad de la configuración estándar”, dice Zhang. «Ya sabíamos cómo crear estos sistemas de cuatro niveles, pero requería un laboratorio y muchos instrumentos ópticos diferentes para controlar todos los parámetros asociados con el aumento de las dimensiones. Nuestro objetivo era hacer que sucediera One slice. Y eso es exactamente lo que hicimos».

Ciberseguridad Física

La comunicación cuántica utiliza fotones en estados de superposición estrictamente controlados. Propiedades como la ubicación, el momento, la polarización y el espín existen como múltiplos en el nivel cuántico, cada uno gobernado por probabilidades. Estas probabilidades describen la probabilidad de que un sistema cuántico (un átomo, partícula u onda) tenga una característica cuando se mide.

En otras palabras, los sistemas cuánticos no están ni aquí ni allá. Tanto aquí como allá. Es el mero acto de observar (descubrir, mirar, medir) lo que hace que un sistema cuántico adquiera una propiedad constante. Como un juego de figuras subatómicas, las superposiciones cuánticas adquieren un estado único una vez que se observan, lo que hace que sea imposible interceptarlas sin ser detectadas o copiadas.

Microscopía láser orbital de dimensiones ultraaltas basada en equipos Trabajo anterior con un microláser en espiral, que ajusta con sensibilidad el momento angular orbital (OAM) de los fotones. El último dispositivo mejora las capacidades del láser anterior al agregar otro nivel de control de rotación óptica.

Este nivel adicional de control, la capacidad de manipular y correlacionar OAM y giro, es el avance que les permitió lograr un sistema de cuatro niveles.

La dificultad de controlar todos estos parámetros simultáneamente es lo que ha obstaculizado la generación de qudit en fotónica integrada y representa el mayor logro experimental del trabajo del equipo.

«Piense en los estados cuánticos de nuestro fotón como dos planetas apilados uno encima del otro», dice Gao. Antes de eso, solo teníamos información sobre la latitud de estos planetas. Con eso, podemos crear un máximo de dos niveles de superposición. No teníamos suficiente información para apilarlo en cuatro. Ahora, también tenemos la longitud. Esta es la información que necesitamos para procesar los fotones de forma binaria y lograr aumentar la dimensionalidad. Coordinamos la rotación y rotación de cada planeta y mantenemos a los dos planetas en una relación estratégica entre sí».

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Criptografía cuántica con Alice, Bob y Eve

La criptografía cuántica se basa en la superposición como un sello a prueba de manipulaciones. En un protocolo criptográfico popular conocido como distribución de claves cuánticas (QKD), los estados cuánticos generados aleatoriamente se envían de un lado a otro entre el remitente y el receptor para probar la seguridad de un canal de comunicaciones.

Si el emisor y el receptor (siempre Alice y Bob en el mundo de las criptohistorias) detectan una cierta discrepancia entre sus mensajes, saben que alguien ha intentado interceptar su mensaje. Pero, si la transmisión permanece casi intacta, Alice y Bob entienden que el canal es seguro y utilizan la transmisión cuántica como clave para los mensajes cifrados.

¿Cómo mejora esto la seguridad de las comunicaciones no cuánticas? Si imaginamos un fotón como una bola girando hacia arriba, podemos hacernos una idea aproximada de cómo codifica tradicionalmente un fotón el número binario 1. Si lo imaginamos girando hacia abajo, entonces entendemos el cero.

Cuando Alice envía fotones clásicos codificados en bits, Eve puede robarlos, copiarlos y reemplazarlos sin que Alice o Bob se den cuenta. Incluso si Eve no puede descifrar los datos que robó, probablemente los eliminará en un futuro cercano cuando los avances en la tecnología informática le permitan piratear.

Las comunicaciones cuánticas agregan una capa de seguridad aún más fuerte. Si imaginamos un fotón como una bola que gira hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo, codificando 1 y 0 simultáneamente, nos hacemos una idea de cómo el qubit retiene la dimensión en su estado cuántico.

Cuando Eve intenta robar, copiar y reemplazar qubits, su capacidad para capturar información se verá comprometida y su manipulación provocará la pérdida de superposición. Bob y Alice sabrán que el canal no es seguro y no usarán una clave de seguridad hasta que puedan demostrar que Eve no lo interceptó. Solo entonces enviarán los datos cifrados previstos utilizando un algoritmo habilitado por la clave qubit.

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Sin embargo, si bien las leyes de la física cuántica pueden evitar que Eve copie un qubit interceptado, es posible que pueda perturbar el canal cuántico. Bob y Alice deberán seguir generando claves y enviándolas de un lado a otro hasta que dejen de interferir. Las perturbaciones transversales que colapsan la superposición a medida que el fotón viaja por el espacio también contribuyen a los patrones de interferencia.

El espacio de información de Qubit, limitado por dos niveles, tiene una baja tolerancia a estos errores.

Para resolver estos problemas, la comunicación cuántica requiere dimensiones adicionales. Si imaginamos un fotón girando (la forma en que la tierra gira alrededor del sol) y girando (la forma en que la tierra gira sobre su eje) en dos direcciones diferentes simultáneamente, tenemos una idea de cómo funciona una matriz de laboratorio de feng.

Si Eve intenta robar, copiar y reemplazar qudit, no podrá extraer ninguna información y su manipulación será obvia. Un mensaje enviado tendrá una mayor tolerancia al error, no solo por la interferencia de Eve, sino también por las fallas ocasionales que aparecen a medida que el mensaje viaja por el espacio. Alice y Bob podrán intercambiar información de manera eficiente y segura.

«Hay mucha preocupación», dice Feng, «de que la criptografía matemática, sin importar cuán compleja sea, se volverá menos efectiva porque estamos avanzando muy rápido en las tecnologías informáticas. La dependencia de la comunicación cuántica en barreras físicas en lugar de matemáticas la hace inmune a estas amenazas futuras Es más importante que nunca que sigamos desarrollando y mejorando las tecnologías de comunicación cuántica”.

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