S’aconsegueix transferir de forma segura imatges codificades amb alfabets més extensos a través d’una xarxa quàntica

La revista Nature Communications publica una investigació realitzada per un equip internacional de científics de la Universitat de Witwatersrand (WITS, Johannesburg, Sud-àfrica) i l'ICFO – Institut de Ciències Fotòniques-, on es transporta una imatge impresa en un feix de llum mitjançant una xarxa, sense enviar físicament la imatge, un pas important cap a la realització d'una xarxa quàntica per a la transmissió d'informació escrita amb un alfabet d’alta dimensió.

La comunicació quàntica a llarga distància és una part essencial per a la seguretat de la informació, i s’ha pogut demostrar amb estats bidimensionals – els qubits - en distàncies molt llargues entre satèl·lits. Tot i que això pot semblar suficient, sobretot si ho comparem amb la contrapart clàssica que seria enviar bits que poden anar-se codificar en 1 (senyal) i 0 (sense senyal) cada vegada,  l'òptica quàntica ens permet augmentar l'alfabet i descriure sistemes més complexos de forma segura en un sol enviament, com una empremta digital única o un rostre.

"Tradicionalment, dues entitats es comuniquen entre si enviant físicament informació d’una a l’altre, inclús en l’àmbit quàntic”, comenta el professor Andrew Forbes, investigador principal de la Universitat de Wits. "Ara és possible teleportar informació per tal que no viatgi físicament a través de la connexió: una tecnologia de "Star Trek" feta realitat".

Fins ara, la teleportació només s'havia demostrat entre dues parts utilitzant alfabets de baixa dimensió, cosa que requereix diversos fotons entrellaçats per enviar imatges complexes.

En aquest estudi, l'equip va realitzar la primera demostració experimental del transport quàntic d'estats d'alta dimensió amb només dos fotons entrellaçats com a recurs quàntic. Com a resultat, la informació semblava teleportada de l'emissor al receptor. L'equip va fer servir un detector òptic no lineal que evitava la necessitat de fotons addicionals, però podia funcionar per a qualsevol “patró” que calgués enviar. Amb la seva tècnica, els científics han demostrat un nou protocol de comunicación, d'última generació, que permet enviar informació escrita en un alfabet de 15 dimensions amb un esquema escalable a dimensions encara més grans, aplanant el camí per a connexions de xarxes quàntiques amb més capacitat d'informació.

A l’experiment, els investigadors van idear una forma elegant de transferir de manera segura informació espacial d'alta dimensió entre dues parts, conegudes com a Alice i Bob, mitjançant un esquema inspirat en la teleportació. A diferència d'experiments anteriors, que havien teleportat amb èxit estats tridimensionals (usant entrellaçament de trajectòries) però requerint l'ajuda de fotons entrellaçats addicionals, en aquest cas l'equip va fer servir una font de llum i només dos fotons entrellaçats, formant el canal quàntic.

Primer, van codificar la informació per ser teleportada dins d'una "font de llum estampada" amb un alfabet que contenia 15 elements. Paral·lelament, van crear un parell de fotons entrellaçats en aquestes 15 dimensions. Del parell de fotons, el segon fotó entrellaçat va viatjar de Bob a Alice i es va mesurar la interacció amb la font de llum modelada a Alice amb un detector espacial no lineal, a través del que es coneix com a Mesurament de l'Estat de Bell (BSM). L'efecte d'aquest mesurament va ser barrejar els estats del segon fotó i de la font de llum en un segon vidre no lineal i fer una projecció espacial particular sobre el fotó únic resultant d'aquest mesurament. Gràcies a que el primer i el segon fotó estaven entrellaçats al principi, és a dir, que el seu estat conjunt estava altament correlacionat, el resultat del BSM va generar la transferència de la informació codificada de la font de llum coherent al primer fotó, que s’havia quedat a Bob i mai havia estat en contacte amb la font.

Aplicacions pràctiques en l’àmbit bancari

El potencial d'aquest nou protocol de transport quàntic s'il·lustra a la figura adjunta. Imagineu un client que vol enviar informació confidencial a un banc, potser una empremta digital. En la comunicació quàntica tradicional, la informació ha d'enviar-se físicament del client al banc, i per tant, encara que sigui segura, comporta un risc de ser interceptada. A l'esquema de transport quàntic proposat recentment, el banc envia un sol fotó sense informació al client (provinent d'un parell entrellaçat), i aquest el superposa en un detector no lineal amb la informació que ha d’enviar-se. Com a resultat, la informació apareix al banc exactament com si hagués estat teleportada allà. Com que mai no s'envia físicament informació entre les dues parts, intentar interceptar el senyal no té sentit, i a més l'enllaç quàntic que connecta a les parts s'estableix mitjançant l'intercanvi de fotons quàntics entrellaçats.

"Aquest protocol té totes les característiques de la teleportació excepte per un ingredient essencial: requereix l'ús d'un raig làser intens perquè el detector no-lineal sigui eficient, de manera que el remitent pugui saber el que s'enviarà, però no necessiti saber-ho", explica Forbes. "No es tracta estrictament de teleportació, però ho podria ser en el futur si el detector no lineal pogués ser més eficient". Fins i tot tal com està ara, l’experiment obre un nou camí per connectar xarxes quàntiques, proposant l'òptica quàntica no lineal com a recurs.

"Esperem que aquests resultats que validen la viabilitat del procés motivin nous avenços al camp de l'òptica no lineal, superant els límits cap a una implementació quàntica completa", afirma el Dr. Adam Vallés de l’ICFO (Barcelona), un dels líders del projecte que va treballar sobre l’experiment durant la seva beca postdoctoral a Wits. "Ara hem de ser cautelosos, ja que aquesta configuració no podria evitar que un remitent enganyós conservi millors còpies de la informació per ser teleportada. Això vol dir que podríem acabar amb molts clons del Sr. Spock al món de Star Trek si això és el que Scotty vol. Des d'un punt de vista pràctic, la configuració que demostrem actualment ja es pot fer servir per establir un canal segur d'alta dimensió per a comunicacions quàntiques entre dues parts, sempre que el protocol no necessiti alimentar-se amb fotons individuals, com seria el dels repetidors quàntics”.

Reconeixement a la recerca de doctorat

Vallés afegeix: “Dur a terme aquests experiments de prova de concepte amb la tecnologia actualment disponible ha estat una aventura interessant, i hem d'agrair a la Dra. Bereneice Sephton de Wits per la seva determinació i les seves habilitats extraordinàries per dur a terme un experiment tan monumental. Aquest és un veritable esforç experimental pel qual se l'ha d'elogiar”.

Forbes comparteix el sentiment: "Aquest va ser un experiment heroic i la Dra. Bereneice Sephton ha de ser reconeguda, perquè va ser ella qui va fer que el sistema funcionés i va dur a terme els experiments clau".

L'equip planeja continuar treballant en aquesta direcció, centrarà els propers passos en el transport quàntic mitjançant una xarxa de fibra òptica.