diciembre 4, 2022

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La investigación de tecnología cuántica de Chicago podría conducir a una Internet más segura

La investigación de tecnología cuántica de Chicago podría conducir a una Internet más segura

La investigación cuántica en el laboratorio de la Universidad de Chicago podría ayudar a prevenir la piratería y conectar una futura red de supercomputadoras

Cabezas de láser, parte inferior y controladores de láser, arriba, en el Laboratorio de Computación Cuántica del Centro de Investigación Eckhardt de la Universidad de Chicago.
Cabezas de láser, parte inferior y controladores de láser, arriba, en el Laboratorio de Computación Cuántica del Centro de Investigación Eckhardt de la Universidad de Chicago. (Taylor Glasscock para The Washington Post)

CHICAGO – El secreto para un Internet más seguro y poderoso que puede ser imposible de descifrar puede residir en un armario del sótano en el que parece caber escobas y trapeadores.

La cámara de 3 pies de ancho, ubicada en las entrañas del laboratorio de la Universidad de Chicago, contiene un estante delgado de dispositivos que disparan discretamente partículas cuánticas a una red de fibra óptica. El objetivo: utilizar los seres más pequeños de la naturaleza para compartir información bajo un cifrado indescifrable y, finalmente, conectar una red de computadoras cuánticas capaces de realizar cálculos masivos.

Los humildes adornos de Equipment Closet LL211A desmienten la importancia de un proyecto a la vanguardia de una de las competencias tecnológicas más importantes del mundo. Estados Unidos , Porcelana Otros compiten para aprovechar las propiedades peculiares de las partículas cuánticas para procesar la información de formas nuevas y poderosas: tecnología que podría otorgar beneficios económicos y de seguridad nacional a los países que dominan.

La investigación cuantitativa es tan importante para el futuro de Internet que está atrayendo nuevos fondos federales, incluido el recientemente aprobado. Chip y ley de la ciencia. Esto se debe a que, si se resuelve el problema, una Internet cuántica puede proteger las transacciones financieras y los datos de atención médica, prevenir el robo de identidad y detener a los piratas informáticos estatales hostiles.

Apenas la semana pasada tres físicos abonado Premio Nobel a la investigación cuántica que ayudó a allanar el camino para esta Internet del futuro.

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La investigación cuantitativa todavía tiene muchos obstáculos que superar antes de que pueda alcanzar un uso generalizado. Pero los bancos, las empresas de atención médica y otros han comenzado a experimentar con Internet cuántico. Algunas industrias también remendar Usar computadoras cuánticas en sus primeras etapas para ver si eventualmente pueden resolver problemas que las computadoras actuales no pueden, como descubrir nuevos medicamentos para tratar enfermedades incurables.

Es demasiado pronto para imaginar todas las aplicaciones potenciales, dijo Grant Smith, estudiante de posgrado en el equipo de investigación cuántica de la Universidad de Chicago.

“Cuando la gente creó por primera vez las intranets iniciales que conectaban computadoras a nivel de investigación, universidades y laboratorios nacionales, no podían haber previsto el comercio electrónico”, dijo durante una visita reciente a laboratorios universitarios.

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El estudio de la física cuántica comenzó a principios del siglo XX, cuando los científicos descubrieron que los objetos más pequeños del universo (átomos y partículas subatómicas) se comportan de manera diferente a la materia en el mundo a gran escala, como aparecer en múltiples lugares al mismo tiempo. .

Estos descubrimientos, llamados la primera revolución cuántica, condujeron a nuevas tecnologías como el láser y el reloj atómico. Pero la investigación ahora acerca a los científicos a aprovechar más los poderes del mundo cuántico. David Oshalom, profesor de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y líder del equipo cuántico, llama a esto una segunda revolución cuántica.

El campo, dijo, «intenta diseñar la forma en que la naturaleza se comporta en sus niveles más fundamentales para nuestro mundo, y explotar estos comportamientos en nuevas tecnologías y aplicaciones».

Las computadoras y las redes de comunicaciones de hoy en día almacenan, procesan y transmiten información dividiéndola en largas secuencias de bits, que generalmente son pulsos eléctricos o de luz que representan cero o uno.

Partículas cuánticas, también conocidas como bits cuánticos, o qubit, pueden existir como ceros y unos al mismo tiempo, o en cualquier punto intermedio, una flexibilidad conocida como «superposición» que les permite procesar la información de nuevas formas. Algunos físicos lo comparan con una moneda que gira al mismo tiempo en el caso de la cara y la cruz.

Los bits cuánticos también pueden mostrar»enredo«donde dos o más partículas están estrechamente relacionadas y se reflejan completamente entre sí, incluso cuando están separadas por una gran distancia física. Albert Einstein llamó a esto «acción aterradora a distancia».

El hardware del gabinete está conectado a una red de fibra óptica de 124 millas que se extiende desde el campus de Southside de la universidad en Chicago hasta dos laboratorios financiados con fondos federales en los suburbios del oeste que colaboran en la investigación: el Laboratorio Nacional Argonne y el Acelerador Nacional Fermi.

El equipo utiliza fotones, partículas cuánticas de luz, para enviar claves de cifrado a través de la red, para ver qué tan bien viajan a través de fibras que pasan por debajo de autopistas, puentes y cabinas de peaje. Las partículas cuánticas son muy sensibles y tienden a estrellarse ante la menor perturbación, como una vibración o un cambio de temperatura, por lo que es difícil enviarlas a través de largas distancias en el mundo real.

En el casillero del sótano de una universidad, una pieza de hardware fabricada por la compañía japonesa Toshiba emite pares de fotones entrelazados y envía uno de cada par a través de la red a Argonne, que está a 30 millas de distancia, en Lemonte, Illinois. Una única clave de cifrado se cifra en una cadena de pares de fotones.

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Dado que los pares están entrelazados, están completamente sincronizados entre sí. “En cierto sentido, puedes verlo como una pieza de información”, dijo Oshalom.

Cuando los fotones que viajan llegan a Argon, los científicos los miden y extraen la clave.

Cualquiera que intente piratear la red para interceptar la clave fracasará, dijo Oshalom, porque las leyes de la mecánica cuántica establecen que cualquier intento de observar partículas en un estado cuántico altera las partículas automáticamente y destruye la información que se transmite. También alerta al remitente y al receptor de un intento de espionaje.

Esta es una de las razones por las que los científicos creen que la tecnología ofrece tanta esperanza.

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“Hay enormes dificultades técnicas que superar, pero se podría argumentar que esto podría volverse tan importante como la revolución tecnológica en el siglo XX que nos dio el láser, el transistor, el reloj atómico y, por extensión, el GPS e Internet. ”, dijo Stephen Gervin, profesor de física en la Universidad de Yale, sobre los descubrimientos.Tecnología cuántica moderna.

En un laboratorio al lado del gabinete, Oshalom y sus colegas están tratando de desarrollar nuevos dispositivos que ayuden a los fotones a transmitir información a distancias mayores. La sala es una colección multimillonaria de equipos de laboratorio, láseres y una imagen del motor de Thomas the Tank, porque uno de los instrumentos hace un chirrido constante. «Creo que tiene un valor cómico», dijo el estudiante graduado Cyrus Zeledon.

Uno de los problemas que intentan resolver: mientras pequeñas partículas de luz viajan a través de las fibras de vidrio de la red, defectos en el vidrio hacen que la luz se atenúe a cierta distancia. Por lo tanto, los investigadores están tratando de desarrollar dispositivos que puedan capturar y almacenar información de partículas de luz a medida que viajan y luego enviar la información hacia adelante utilizando una nueva partícula, como Photon Pony Express.

Usando guantes de goma morados para evitar dañar la superficie, Zeledon agarró una pequeña placa de circuito que contenía dos chips de carburo de silicio que él y sus colegas están probando como un dispositivo para almacenar y controlar información de qubits cuánticos. Más tarde ese día, Zeledon planeaba enfriar los chips a temperaturas extremadamente bajas y examinarlos bajo un microscopio, buscando los bits cuánticos que había implantado en los chips que luego podría procesar usando microondas para intercambiar información con los fotones.

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En el otro extremo de la red, una mañana, el científico de Argonne Joe Hermans, ex alumno de Oshalom, se disculpó por el fuerte chirrido que también resonó en su laboratorio. ¿Dónde estaba su foto de Thomas the Tank Engine? «Estamos tratando de ser un poco más profesionales aquí», bromeó.

Hermanns y sus colegas también están tratando de desarrollar nuevos dispositivos y materiales para ayudar a los fotones a transmitir información cuántica a distancias mayores. Un material que se muestra prometedor es el diamante sintético, dijo, mientras señala con la cabeza un reactor que ha estado produciendo diamantes a un ritmo glacial de nanómetros por hora.

fondos federales de Ley Nacional de Iniciativa CuánticaEl laboratorio, aprobado por el Congreso y firmado por el presidente Donald Trump en 2018, ayudó recientemente al laboratorio a comprar un segundo reactor que hará crecer los diamantes más rápido. los Chip y ley de la cienciaque el presidente Biden firmó en agosto, brinda apoyo adicional de investigación y desarrollo que reforzará el esfuerzo cuantitativo.

En un rincón de su laboratorio, Hermanns señaló una máquina Toshiba similar a la de la Universidad de Chicago. Desde allí, un conjunto de cables de colores transportan señales hacia y desde la red que, después de salir del laboratorio, se ejecutan en un circuito corto debajo del cercano Ikea y Buffalo Wild Wings antes de disparar en cualquier dirección a la universidad y Fermilab.

Los científicos están realizando experimentos con presas de prueba similares en Boston, Nueva York, Maryland y Arizona. También existen redes experimentales en los Países Bajos, Alemania, Suiza y China.

El objetivo es conectar algún día cada una de estas bases de prueba, a través de enlaces de fibra y satélite, a la incipiente Internet cuántica que cubre los Estados Unidos y, eventualmente, el mundo. A medida que la red crece, idealmente podría usarse no solo para enviar información encriptada, sino también para conectar computadoras cuánticas para aumentar su poder de procesamiento, de la misma manera que lo hace la nube para las computadoras existentes.

“La idea de un internet cuántico está en proceso de nacer”, dijo Smith.