Desde números de tarjetas de crédito hasta información de cuentas bancarias, transmitimos información digital sensible a través de Internet todos los días. Desde la década de 1990, aunque, Los investigadores han sabido que las computadoras cuánticas amenazan con interrumpir la seguridad de estas transacciones.

Eso es porque la física cuántica predice que estas computadoras podrían hacer algunos cálculos mucho más rápido que sus contrapartes convencionales. Esto permitiría a una computadora cuántica descifrar un sistema de seguridad de Internet común llamado criptografía de clave pública.

Este sistema permite que dos computadoras establezcan conexiones privadas ocultas a posibles piratas informáticos. En criptografía de clave pública, cada dispositivo distribuye copias de su propia clave pública, que es una pieza de información digital. Cualquier otro dispositivo puede usar esa clave pública para codificar un mensaje y enviarlo de vuelta al primer dispositivo. El primer dispositivo es el único que tiene otra información, su clave privada, que utiliza para descifrar el mensaje. Dos computadoras pueden usar este método para crear un canal seguro y enviar información de un lado a otro.

Una computadora cuántica podría calcular rápidamente la clave privada de otro dispositivo y leer sus mensajes, poniendo en riesgo todas las comunicaciones futuras. Pero muchos científicos están estudiando cómo la física cuántica puede defenderse y ayudar a crear líneas de comunicación más seguras.

Un método prometedor es la distribución de claves cuánticas, lo que permite que dos partes establezcan directamente un canal seguro con una única clave secreta. Una forma de generar la clave es utilizar pares de fotones entrelazados:partículas de luz con una conexión cuántica compartida. El enredo garantiza que nadie más pueda conocer la clave, y si alguien intenta escuchar a escondidas, se avisará a ambas partes.

Tobias Huber, un becario postdoctoral experimental de JQI recién llegado, ha estado investigando cómo generar de manera confiable los fotones entrelazados necesarios para esta comunicación segura. Huber es un graduado de la Universidad de Innsbruck en Austria, donde fue supervisado por Gregor Weihs. Han colaborado con frecuencia con Glenn Solomon, miembro de JQI, que pasó un semestre en Innsbruck como becario Fulbright. Durante los últimos dos años, han estado estudiando una fuente particular de fotones entrelazados, llamados puntos cuánticos.

Un punto cuántico es un área diminuta en un semiconductor, solo nanómetros de ancho, que está incrustado en otro semiconductor. Esta pequeña región se comporta como un átomo artificial. Como en un átomo los electrones en un punto cuántico ocupan ciertos niveles de energía discretos. Si el punto cuántico absorbe un fotón del color correcto, un electrón puede saltar a un nivel de energía más alto. Cuando lo hace deja una ranura abierta en la energía más baja, que los físicos llaman agujero. Finalmente, el electrón decaerá a su energía original, emitiendo un fotón y llenando el agujero. La combinación intermedia del electrón excitado y el agujero se llama excitón, y dos electrones excitados y dos huecos se denominan biexcitón. Un biexciton decaerá en cascada, emitiendo un par de fotones.

Huber, Weihs, Solomon y varios colegas han desarrollado una forma de excitar directamente biexcitones en puntos cuánticos utilizando una secuencia de pulsos láser. Los pulsos permiten codificar información en el par de fotones emitidos, creando una conexión entre ellos conocida como entrelazamiento de contenedor de tiempo. Es el mejor tipo de entrelazamiento para transmitir información cuántica a través de fibras ópticas porque no se degrada tan fácilmente como otros tipos en largas distancias. Huber y sus colegas son los primeros en producir directamente fotones entrelazados en contenedores de tiempo a partir de puntos cuánticos.

En su último trabajo, publicado en Óptica Express , investigaron cómo la presencia de imperfecciones materiales que rodean los puntos cuánticos influye en esta generación de entrelazamientos. Las imperfecciones tienen sus propios niveles de energía de electrones y pueden robar un electrón de un punto o donar un electrón para llenar un hueco. De cualquier manera, la impureza evita que un excitón se descomponga y emita un fotón, disminuyendo el número de fotones que finalmente se liberan. Para combatir esta pérdida, el equipo utilizó un segundo láser para llenar los niveles de electrones de las impurezas y demostró que esto aumentaba la cantidad de fotones liberados sin comprometer el entrelazamiento entre ellos.

El equipo dice que el nuevo trabajo es un paso en la dirección correcta para hacer de los puntos cuánticos una fuente viable de fotones entrelazados. Conversión descendente paramétrica, un competidor que usa cristales para dividir la energía de un fotón en dos, ocasionalmente produce dos pares de fotones entrelazados en lugar de uno. Esto podría permitir que un fisgón lea un mensaje cifrado sin ser detectado. La ausencia de este inconveniente hace que los puntos cuánticos sean un excelente candidato para producir fotones entrelazados para la distribución de claves cuánticas.

El advenimiento de la computación cuántica trae nuevos desafíos de seguridad, pero herramientas como la distribución de claves cuánticas están afrontando esos desafíos de frente. Es posible que, Un día, podríamos tener no solo computadoras cuánticas, pero líneas de comunicación de seguridad cuántica, libre de miradas indiscretas.