Resumen Ejecutivo
- Investigadores de la Universidad de Waterloo han demostrado un método para duplicar de forma segura información cuántica encriptada, sorteando efectivamente el teorema de la no clonación y permitiendo el almacenamiento redundante de datos cuánticos.
- El enfoque utiliza claves de encriptación de un solo uso que caducan al desencriptarse, permitiendo múltiples copias encriptadas de qubits al tiempo que se preservan los límites fundamentales de la mecánica cuántica.
- Los hallazgos, publicados en Physical Review Letters, respaldan la viabilidad de futuras infraestructuras de computación cuántica en la nube para almacenamiento seguro, copias de seguridad y computación cuántica distribuida.
COMUNICADO DE PRENSA — Un equipo de investigadores de la Universidad de Waterloo ha logrado un avance en la computación cuántica que supera elegantemente el problema fundamental de la “no clonación”.
La computación cuántica es una prometedora frontera tecnológica, donde la información se almacena y procesa en unidades diminutas, llamadas qubits. Los qubits pueden almacenarse, por ejemplo, en electrones individuales, fotones (partículas de luz), átomos, iones o corrientes diminutas.
Universidades, la industria y gobiernos de todo el mundo están invirtiendo miles de millones de dólares para perfeccionar la tecnología para controlar estos qubits, de modo que puedan combinarse en computadoras cuánticas grandes y fiables. Esta tecnología tendrá potentes aplicaciones, incluyendo en ciberseguridad, ciencia de materiales, investigación médica y optimización.
“Este avance permitirá el almacenamiento cuántico en la nube, como un Dropbox cuántico, un Google Drive cuántico o un STACKIT cuántico, que almacena de forma segura la misma información cuántica en múltiples servidores, como una copia de seguridad redundante y encriptada”, afirmó el Dr. Achim Kempf, titular de la Cátedra Dieter Schwarz para la Física de la Información y la IA en el Departamento de Matemáticas Aplicadas de Waterloo. “Es un paso importante para permitir la construcción de la infraestructura de computación cuántica”.
“La computación cuántica tiene un potencial tremendo, especialmente para resolver problemas muy difíciles, pero también plantea desafíos únicos. Uno de los problemas más desafiantes que enfrenta la computación cuántica es el teorema de la no clonación, que establece que la información cuántica no puede copiarse, al menos no directamente. Esto se debe a la delicada forma en que se almacena la información cuántica.”
Kempf, quien también es asociado del Instituto de Computación Cuántica de Waterloo y miembro asociado del Instituto Perimeter, explica además que la información cuántica funciona un poco como dividir una contraseña. Si tienes la primera mitad de la contraseña y un amigo tiene la segunda mitad, ninguno de los dos puede usarla solo, pero si unen sus dos mitades, obtienen la valiosa contraseña.
En un sentido similar, los qubits son especiales porque pueden compartir información de una manera que crece a medida que se combinan. Un solo qubit no contiene mucho por sí solo, pero cuando los qubits se vinculan entre sí, pueden almacenar una gran cantidad de información que solo aparece cuando están conectados. Esta capacidad única de mantener información compartida entre múltiples qubits se llama entrelazamiento cuántico.
Kempf explica que 100 qubits pueden compartir información de 2^100 maneras simultáneamente. Esto les permite compartir tanta información entrelazada que todas las computadoras clásicas actuales no podrían almacenarla.
Sin embargo, a pesar del potencial de la computación cuántica, el teorema de la no clonación limita cómo se puede aplicar. Esto se debe a que, a diferencia de la computación clásica, donde la copia de información (para compartir y para copias de seguridad) es una herramienta muy utilizada, no existe una simple función de copiar y pegar en la computación cuántica.
“Hemos encontrado una solución al teorema de la no clonación de la información cuántica”, explica el Dr. Koji Yamaguchi, quien codescubrió el nuevo método con Kempf mientras trabajaba como investigador postdoctoral en el laboratorio de Kempf y que ahora es profesor asistente en la Universidad de Kyushu.
“Resulta que si encriptamos la información cuántica mientras la copiamos, podemos hacer tantas copias como queramos. Este método es capaz de sortear el teorema de la no clonación porque después de que uno elige y desencripta una de las copias encriptadas, la clave de desencriptación caduca automáticamente, es decir, la clave de desencriptación es una clave de un solo uso. Pero incluso una clave de un solo uso permite aplicaciones importantes, como servicios de nube cuántica redundantes y encriptados”.
Este avance refuerza el liderazgo mundial de Waterloo en ciencia cuántica y comercialización. El Instituto de Computación Cuántica es reconocido internacionalmente por combinar investigación fundamental de primer nivel con un sólido apoyo a la comercialización, un enfoque que ya ha ayudado a lanzar más de 23 empresas emergentes cuánticas que transforman la detección, la seguridad y la computación.
La investigación, “Encrypted Qubits can be Cloned”, apareció en Physical Review Letters.