Récord mundial de entrelazamiento cuántico en fibra óptica

Fotones entrelazados recorrieron 248 kilómetros de fibra óptica en un ensayo transfronterizo entre Austria y Eslovaquia, impulsando así la internet y la criptografía cuánticas en Europa Central.

Físicos de la Academia de Ciencias de Austria han conseguido por primera vez entrelazar fotones a lo largo de 248 kilómetros de un canal de fibra óptica desplegado entre Austria y Eslovaquia, permitiendo así velocidades en el envío de claves seguras a una velocidad de 1 Gbit/s.

El resultado obtenido por los científicos austriacos supone un récord mundial que propicia progresos significativos hacia la internet y la criptografía cuánticas, destacan estos investigadores.

El récord se refiere a la distancia conseguida para enviar fotones entrelazados a través de fibra óptica. El récord anterior, que fue de más de 100 kilómetros, conseguidos en 2019, se ha superado con creces en esta ocasión, tal como explican los autores de esta investigación en un artículo publicado en la revista Nature Communications.

Nueva fuente de fotones entrelazados

Este récord es la consecuencia directa del desarrollo conseguido por estos equipos de una nueva y poderosa fuente de fotones entrelazados, que presentan en la revista Quantum.

Hasta ahora, esas fuentes no habían producido suficientes pares de fotones de la calidad requerida.

"Nuestra fuente combina las tres propiedades requeridas: con mil millones de pares de fotones por segundo, ofrece tasas de datos extremadamente altas, mientras que su eficiencia es muy alta y en realidad se producen pares de partículas y no solo muchos fotones individuales. Además, la polarización de los fotones es de alta calidad”, explica uno de los protagonistas de este desarrollo, Sebastian Neumann, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria (ÖAW), en declaraciones a la agencia austriaca APA.

Además, la señal debía hacerse insensible a las fluctuaciones de temperatura en la fibra, para lo cual se ideó un sistema especial de estabilización. Esto permitió el funcionamiento ininterrumpido de la línea, otro requisito importante para una futura internet cuántica.

Internet cuántica en Europa Central

El objetivo último de este experimento era crear un primer nodo de la red QUAPITAL, un proyecto transfronterizo de investigación que se propone desarrollar una Internet cuántica en Europa Central, del que forma parte el reciente Nobel de Física Anton Zeilinger.

Como parte del proyecto QUAPITAL, en este experimento, un transmisor situado en Viena envió estados cuánticos estables a Sankt Pölten, la capital del Estado federado de Baja Austria, y Bratislava, la capital de Eslovaquia durante varios días. En ambos sitios se midieron y se verificaron sus propiedades cuánticas.

Para el envío, una fuente de pares de fotones entrelazados, situada en el sótano del Instituto de Física de la Universidad de Viena, se conectó a dos fibras ópticas que ya se habían tendido con anterioridad.

Las dos líneas de fibra, cada una de aproximadamente 125 kilómetros de largo, condujeron los fotones entrelazados a dos estaciones de recepción, una cerca de Sankt Pölten y la otra situada en la Academia de Ciencias de Eslovaquia en Bratislava.

Comunicaciones seguras

La importancia de todos los desarrollos en este campo que se han conseguido hasta el momento, incluso en España a través del Grupo de Investigación en Información y Computación Cuántica que dirige el profesor Vicente Martín Ayuso, radica en que acerca el desarrollo de redes de criptografía cuántica en Europa.

Lo primero que hay que tener en cuenta al respecto es que todas las comunicaciones seguras se basan en el uso de la criptografía, de manera que la información se cifra utilizando una clave que permite que sólo los participantes que la conocen sean capaces de descifrar los mensajes intercambiados entre ellos.

Las tecnologías cuánticas permiten aplicar principios cuánticos para intercambiar una clave completamente segura entre los extremos de un canal de comunicaciones, de manera que esa clave esté protegida frente a cualquier ataque e incluso permita que cualquier intento de ataque sea inmediatamente detectado.

La Distribución Cuántica de Claves (QKD por sus siglas en inglés) es una de estas tecnologías: permite crear claves de manera segura entre dos partes que comparten un canal cuántico.

Entrelazamiento cuántico

El pilar de la QKD es el así llamado entrelazamiento cuántico, una propiedad que permite a dos partículas elementales entrelazadas, como por ejemplo los fotones, permanecer conectadas a cualquier distancia y compartir sus propiedades físicas.

Las mediciones de una partícula permiten sacar conclusiones inmediatas sobre el resultado de la medición que se espera de la otra partícula distante.

Esta propiedad se usa en esta tecnología para crear una "clave" para la transmisión de datos que es indescifrable, lo que se conoce como criptografía cuántica.

"El entrelazamiento cuántico hace posible generar la llamada aleatoriedad correlacionada. Es como si dos monedas lanzadas en diferentes lugares, en nuestro caso Sankt Pölten y Bratislava, siempre cayeran del mismo lado", añade otro de los investigadores, Rupert Ursin, líder científico del proyecto en la OeAW. Con la criptografía cuántica, los "lanzamientos de moneda" se pueden utilizar para cifrar mensajes de una manera que, en principio, es indescifrable, añade Ursin.

Calidad asegurada

Aunque la fuente de fotones desarrollada en Austria entrega suficientes pares de partículas por segundo, las pérdidas en las fibras ópticas son tan altas que sólo diez pares por segundo llegan a los receptores.

El factor limitante son los detectores, cuya medición del tiempo no es lo suficientemente precisa, destacan los investigadores.

Y aunque tecnológicamente no hay problema en enviar más fotones, ya que la fuente austriaca puede alcanzar tasas de gigabits, la velocidad de transmisión de datos cifrados en la red entre Sankt Pölten y Bratislava con criptografía cuántica sigue siendo de unos modestos 1,5 bits por segundo, lo que representa el límite absoluto con la tecnología actual, reconocen los científicos.

No obstante, concluyen que, a diferencia de una conexión a Internet convencional, los datos enviados en esta red podrían recopilarse durante un período de tiempo más largo, lo que sumaría hasta 450 Kb al mes.

Referencias

Continuous entanglement distribution over a transnational 248 km fiber link. Sebastian Philipp Neumann et al. Nature Communications volume 13, Article number: 6134 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-33919-0

Experimental entanglement generation for quantum key distribution beyond 1 Gbit/s. Sebastian Philipp Neumann et al. Quantum 6, 822 (2022). DOI: https://doi.org/10.22331/q-2022-09-29-822