cifrado

Las computadoras cuánticas cometen errores. Cada qubit es como una canica en la punta de un lápiz: si la mano tiembla un poco, se cae. Para que las canicas no caigan, se necesita alguien que note el temblor y corrija a tiempo.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico —un cúbit— toca su parte, pero de vez en cuando se equivoca. Para que la música no se convierta en cacofonía, se necesita un director que oiga al instante las notas falsas y las corrija.

Alicia prepara una partícula cuántica en uno de varios estados y se la envía a Bob. El canal por el que viaja la partícula no es perfecto: introduce ruido, dispersa, interactúa con el entorno. Bob recibe la señal e intenta averiguar qué fue exactamente lo que Alicia envió. Este es el esquema clásico de "preparar, enviar, medir", y siempre existe el riesgo de perder algo.

En una fila apretada de átomos, separados por distancias menores que la longitud de onda de la luz, se esconde un estado asombroso. La excitación se reparte entre todas las partículas de tal manera que su radiación se anula a sí misma.

Una computadora cuántica es como un copo de nieve frágil sobre una palma cálida. El más mínimo soplo de calor o una ligera vibración, y se convierte en una gota. Para que el copo sobreviva, se corrige constantemente, restaurando su forma original. Esto es la corrección de errores cuánticos.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico-qubit se desvía fácilmente del ritmo. El más mínimo ruido y la melodía del cálculo se convierte en cacofonía. Para que la orquesta toque en armonía, se necesita un director que detecte al instante las notas falsas y las corrija sin detener la interpretación. Ese es exactamente el papel de los códigos de corrección de errores.

Cuando dos teléfonos intentan crear una clave secreta común a partir de las propiedades aleatorias de las ondas de radio, la interferencia hace que sus mediciones sean inexactas. Es como si dos personas miraran un reflejo en una ventana empañada: cada una ve una silueta borrosa y es imposible distinguir una imagen común.

El servicio en la nube distribuye órdenes a un enjambre de drones sin conocer sus movimientos. Las señales están cifradas, pero cada maniobra deja una huella apenas perceptible en el cifrado, como la tinta que traspasa el papel al presionar con el bolígrafo.

El entrelazamiento cuántico a menudo se comporta como una danza sincronizada, visible solo desde un ángulo. Basta cambiar la forma de observar y las partículas parecen desordenadas. Esto limita la comunicación segura. Ahora, físicos han creado un par de fotones cuya 'danza' es impecable desde cualquier perspectiva.

Entrenar una gran red neuronal en cientos de máquinas es como cocinar una sopa con decenas de chefs: cada uno prueba y comunica sus ajustes a los demás. En el aprendizaje automático moderno, estas «negociaciones» consumen tiempo y ancho de banda, y son vulnerables a las escuchas.

Si aplaudes en una habitación vacía, el eco revelará su tamaño y forma. Cada objeto —una silla, un libro, una persona— añade su propia firma a ese eco: el sonido se refleja en él de una manera particular. Los autores del artículo han ideado cómo reescribir por completo esa firma sonora. Rodearon una región del espacio con una superficie cerrada de micrófonos y altavoces.

Seleccionar un solo microchip defectuoso entre un millón, sin ninguna pista de cómo es el fallo, es un clásico problema de buscar una aguja en un pajar. Una computadora clásica probaría cada chip uno por uno.

Una sola toma de cámara almacena tanto una imagen normal como un mapa oculto de cómo la luz onduló a través de la escena. El entrelazamiento cuántico lo hace posible. Se generan pares de fotones vinculados: uno visita el objeto, su gemelo toma un desvío. Después, medir al gemelo de una manera extrae la información de brillo.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta: cada músico lleva su parte, pero el más mínimo ruido en la sala puede descomponer al conjunto. Las partículas que almacenan información pierden fácilmente la cohesión por golpes térmicos o campos magnéticos errantes.

Los metrónomos que todos conocemos, si se colocan sobre una base móvil, con el tiempo acaban balanceándose al unísono. En el mundo cuántico, este truco fue esquivo durante mucho tiempo.

En 1948, el ingeniero Claude Shannon sentó las bases de la teoría de la información. El teorema de Nyquist-Shannon dio la primera respuesta: para no perder la señal, debe haber el doble de mediciones que el detalle más rápido de la misma. En 2006, el método de muestreo comprimido (compressed sensing) relajó este requisito.

Dos fotones entrelazados se separan en direcciones opuestas, pero siguen comportándose como un todo: la medición de uno determina instantáneamente el estado del otro. Esto es el entrelazamiento cuántico. Sin embargo, a veces se parece a un espía experimentado: no deja rastros visibles en una inspección ordinaria.

Dos dados siempre caen del mismo lado, sin importar cuán lejos se lancen. En física cuántica, este comportamiento se llama entrelazamiento, y es el recurso principal para las computadoras del futuro y las comunicaciones seguras. Pero el problema es que no todo entrelazamiento es fácil de detectar.

Las computadoras cuánticas en la nube se parecen a una oficina de correos: envías una carta y alguien más lee la dirección y el contenido. En los cálculos ordinarios, el servidor ve tus datos y el algoritmo. Pero los cálculos cuánticos a ciegas son un sobre que no se puede abrir: el servidor hace el trabajo, pero no sabe qué está haciendo exactamente.

Una radio capta la transmisión entre crujidos y silbidos. Así funcionan hoy las computadoras cuánticas: la señal útil se ahoga en el ruido. Cuanto más dura el cálculo, más distorsionan el resultado las interferencias.

Dos buzones en extremos opuestos de la ciudad. Metes una carta en uno y, al instante, aparece una idéntica en el otro. Así funciona, más o menos, el entrelazamiento cuántico: dos partículas se comportan como una sola entidad, incluso si las separas a gran distancia.

La luz puede usarse como mensajera que transporta mensajes secretos. Pero para que el mensajero no pierda ni una letra, hay que recibirla y verificarla muy rápido. El nuevo chip de película delgada de niobato de litio es como un torniquete que se abre y se cierra en fracciones de milmillonésima de segundo, dejando pasar los pulsos de luz en el momento adecuado.

Un bit cuántico común se destruye con la más mínima perturbación: calor, campo magnético. Los físicos hicieron trabajar un par de átomos para que el desorden no borrara la información. Esta se codificaba no en cada átomo, sino en la diferencia de sus estados, como la tensión de una cuerda entre dos boyas.

Un bit cuántico (cúbit) es como un susurro apenas audible entre el murmullo de voces. Un amplificador común hace el susurro más fuerte, pero junto con él también amplifica el ruido, dificultando entender la esencia. Los físicos crearon un dispositivo ingenioso que genera dos señales-susurro idénticas en frecuencias diferentes: la original y su eco.

En el mundo cuántico no se puede crear una copia de un estado desconocido de una partícula; esto fue establecido por William Wootters y Wojciech Zurek en 1982, y Charles Bennett convirtió esta prohibición en una herramienta de protección de datos.

La clave secreta en la comunicación cuántica se transmite mediante fotones individuales. Es imposible espiar ese canal: cualquier intento de interceptación destruye la partícula y deja rastro. Pero la idea tiene un punto débil: el hardware real, que a veces se comporta de manera distinta a lo que dicta la teoría.

Una computadora cuántica de iones se parece a una lámpara de araña con una docena de colgantes: si tiras de uno, todos se balancean. Cada ion es un qubit, pero cuando hay muchos, sus oscilaciones conjuntas saturan el escenario. Cualquier acción sobre un par afecta a los vecinos y el cálculo se echa a perder. Los autores encontraron la manera de empujar los iones de lado, no de frente.

Una cuerda trenzada a partir de cien hilos cortos puede estar retorcida hacia la derecha o hacia la izquierda. Cada hilo por separado no sabe hacia dónde está torcida toda la cuerda, pero intenta deshacerla y la diferencia se manifiesta de inmediato.

Lanzar una moneda parece aleatorio, pero en realidad todo lo decide la física: la fuerza del lanzamiento, la resistencia del aire, la elasticidad de la superficie. Si se conocen todos los detalles, el resultado se puede predecir. La verdadera aleatoriedad vive más profundo, en el mundo cuántico.

La información cuántica es frágil: el más mínimo ruido puede destruirla. Por eso se han ideado dos métodos de protección. El primero es el desacoplamiento dinámico: se aplican pulsos rápidos a los qubits que promedian el ruido hasta anularlo. Es como agitar una caja con objetos frágiles para que no golpeen las paredes.

Una receta de pan escrita con tinta invisible: mientras lees, el original se desvanece. Así se comportan los cúbits: cualquier medición los altera irreversiblemente.

Los mensajes comunes son interceptados sin que nadie se dé cuenta. Los físicos idearon una manera de crear un secreto compartido que se rompe instantáneamente al ser observado. En lugar de papel, partículas individuales de luz (partículas).

Lanzar una moneda es el generador de aleatoriedad más simple. Pero si la moneda está lastrada, empieza a hacer trampa. En el mundo cuántico, la luz hace el papel de la moneda: sus propiedades son fundamentalmente impredecibles. El problema es que el dispositivo que "lanza" la moneda cuántica puede estar defectuoso o incluso haber sido sustituido por un atacante.

La fibra óptica transmite la luz, pero en el camino esta tiembla y se atenúa. Para que los interlocutores en los dos extremos de la línea obtengan el mismo conjunto de números aleatorios para el cifrado, en el receptor funciona un corrector digital, como un cancelador de ruido en los auriculares que resta el rumor de la calle, pero a veces, junto con él, se come las…

En un cristal de carburo de silicio, parecido a una piedra transparente, se esconden defectos: lugares donde los átomos no están alineados. Uno de estos defectos funciona como un nodo cuántico: el electrón en su interior gira y procesa información, mientras que el núcleo de un átomo vecino la guarda silenciosamente.

Un pulso de luz se puede dividir en ventanas temporales cortas, como un tren en vagones. Si dos fotones nacen juntos y sus vagones están rígidamente conectados —la llegada de uno a una ventana determinada garantiza que el otro llegó a la ventana pareja—, a esa conexión se le llama entrelazamiento temporal.

Dos diamantes artificiales actúan como diapasones. Dentro de cada uno hay un átomo de carbono-13, un bit cuántico. A su lado, un defecto de la red cristalina, como un oído atento, lee las vibraciones de este átomo.

Los ordenadores cuánticos utilizan estados GKP, ideados por Alexei Kitaev, John Preskill y Daniel Gottesman. Su particularidad son las verificaciones-estabilizadores incorporadas que detectan errores. Durante mucho tiempo se creyó que una verificación exitosa garantizaba un estado casi perfecto. Por desgracia, es una ilusión.

En las elecciones siempre existe el riesgo de que alguien espíe tu boleta. Los físicos propusieron una solución: un voto anónimo protegido no por personas, sino por las leyes del universo. Su «urna mágica» funciona con partículas de luz: fotones.

La criptografía moderna no se concibe sin números verdaderamente aleatorios. Pero la fuente estándar puede ser poco fiable o incluso estar manipulada deliberadamente. La solución la propusieron unos experimentadores que construyeron un procesador cuántico de 98 iones: funciona como un filtro de alta velocidad, convirtiendo una señal «sucia» en algo cristalino e impredecible.