Un chip que entrelaza cuatro fotones abre la posibilidad de crear una criptografía cuántica inviolable

El dispositivo podrá utilizarse para implementar sistemas de compartición en los cuales cualquier intento de acceso no autorizado alterará las correlaciones cuánticas y posibilitará así su detección inmediata

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – A diferencia de los sistemas clásicos de criptografía, que dependen de algoritmos matemáticos, los sistemas cuánticos brindan una seguridad basada en principios físicos. La detección de espionajes o interferencias se asegura debido a la inevitable alteración de los estados cuánticos implicados.

La comparación entre ambos tipos de sistemas impresiona bastante. Actualmente, las supercomputadoras clásicas pueden tardar miles de años para romper robustos códigos encriptados. Sin embargo, con la llegada de computadoras cuánticas suficientemente poderosas, esos mismos códigos podrán descifrarse en cuestión de segundos. “Esto pone de relieve la urgente necesidad de desarrollar e implementar protocolos de seguridad cuántica que permanezcan inmunes a tales capacidades”, dice el investigador Paulo Henrique Dias Ferreira, del Departamento de Física de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en el estado de São Paulo, Brasil.

Durante una pasantía posdoctoral realizada en el Politecnico di Milano, en Italia, Dias Ferreira integró el equipo del profesor Roberto Osellame. E hizo aportes significativos a la generación y a la caracterización de los estados entrelazados GHZ (Greenberg-Horne-Zeilinger) de cuatro fotones en un chip fotónico. Un estudio al respecto salió publicado en el periódico científico Quantum Information, del grupo Nature.

“Este trabajo, en el cual se combina la tecnología de puntos cuánticos con circuitos fotónicos de vidrio, constituye un hito en el perfeccionamiento y la integración de los dispositivos, con lo cual abre nuevas posibilidades con miras a plasmar una comunicación cuántica segura y eficiente”, afirma.

En el área de información cuántica, un estado GHZ es un cierto tipo de estado de entrelazamiento que comprende la existencia de al menos tres subsistemas (estados de partículas o cúbits). Fue estudiado por primera vez a finales de la década de 1980 por Daniel Greenberger, Michael Horne y Anton Zeilinger. En el estudio que aquí se aborda, los circuitos se escribieron en un chip de vidrio con láser de femtosegundos para generar guías de onda tridimensionales que permiten el manipuleo preciso de los fotones.

“Se optó por la producción mediante la utilización de una matriz vítrea debido a su fácil prototipado. Asimismo, con una sola etapa de fabricación, ésta permite elaborar guías tridimensionales, al contrario que en los procesos tradicionales de litografía o mediante el empleo de haces de electrones. La reconfigurabilidad de los circuitos, obtenida con desplazadores térmicos, permite realizar ajustes finos en las fases ópticas de los fotones que son esenciales para la formación de la superposición deseada”, informa Dias Ferreira.

Para explicar la función de este dispositivo en criptografía, el investigador se vale de una analogía: “Imagínese que tiene cuatro monedas. En el estado normal, cada moneda puede aparecer independientemente en la posición de cara o cruz cuando una persona las arroja aleatoriamente. Pero en el estado entrelazado GHZ, los cuatro fotones [las monedas] se conectan de una manera especial: al observárselas, todas las monedas aparecerán del lado de cara o cruz, nunca en una combinación mixta. Este estado puede describirse matemáticamente como una superposición cuántica en la cual cada fotón está entrelazado con los otros tres, sin ningún estado clásico análogo. La ligazón es tan fuerte que, al verificar un fotón, se sabe instantáneamente el estado de los otros tres, y no importa cuán lejos se encuentren entre ellos. En la analogía de las monedas, una vez que se descubre que una es cara [y no cruz], todas las otras aparecerán como cara”.

Este fenómeno puede utilizarse para implementar sistemas de compartición de claves cuánticas, en los cuales un regulador comparte una clave con distintos participantes en forma segura. Cualquier intento de acceso no autorizado altera las correlaciones cuánticas, con lo cual hace posible su inmediata detección. “Si un intruso intenta medir el estado de una de las partículas para obtener información sobre la clave, por ejemplo, esa medición hará colapsar inevitablemente el estado cuántico de aquella partícula, y alterará la correlación cuántica original entre todas las partículas implicadas. Cuando los participantes legítimos del protocolo comparan una parte de sus datos, logran detectar las discrepancias causadas por esa interferencia”, señala Dias Ferreira.

El científico argumenta que la aplicación de estados GHZ en transacciones comerciales no solamente fortalecerá la seguridad de las comunicaciones, sino que también ofrecerá un robusto mecanismo de detección de intrusos, lo que resulta esencial para proteger datos sensibles en un mundo cada vez más digital e interconectado. “Al emplear estados GHZ y otros protocolos de entrelazamiento, los sistemas cuánticos suministran una solución que ni siquiera las computadoras cuánticas más avanzadas logran descifrar. Sucede que cualquier intento de interferencia en un canal cuántico altera los estados de las partículas implicadas, lo que permite la detección inmediata de cualquier intruso”, afirma.

Esta investigación demostró la factibilidad de generar estados entrelazados GHZ de alta fidelidad en un chip fotónico, lo cual allana el camino hacia la producción de dispositivos cuánticos a escala. “Con los continuos avances, podemos esperar la integración de estos sistemas en infraestructuras de comunicación y computación, para abrir una nueva era de seguridad y eficiencia”, culmina diciendo Dias Ferreira.

El estudio contó con el apoyo de la FAPESP mediante el otorgamiento de una beca de investigación en el exterior en el marco del proyecto intitulado “Producción de dispositivos para fotónica cuántica integrada y sensores mediante microfabricación con un láser de femtosegundos”.

Puede leerse el artículo intitulado High-fidelity four-photon GHZ states on chip en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41534-024-00830-z.