La criptografía cuántica es una de las tecnologías cuánticas más prometedoras de nuestro tiempo:se genera exactamente la misma información en dos ubicaciones diferentes, y las leyes de la física cuántica garantizan que ningún tercero pueda interceptar esta información. Esto crea un código con el que la información se puede cifrar perfectamente.

El equipo del profesor Marcus Huber del Instituto Atómico de TU Wien desarrolló un nuevo tipo de protocolo de criptografía cuántica, que ahora se ha probado en la práctica en cooperación con grupos de investigación chinos:mientras que hasta ahora uno usaba normalmente fotones que pueden estar en dos estados diferentes, la situación aquí es más complicada:cada uno de los fotones puede tomar ocho caminos diferentes. Como el equipo ha podido demostrar ahora, esto hace que la generación de la clave criptográfica cuántica sea más rápida y también significativamente más robusta contra la interferencia. Los resultados ya se han publicado en la revista científica. Cartas de revisión física .

Dos estados, dos dimensiones

"Hay muchas formas diferentes de utilizar fotones para transmitir información, "dice Marcus Huber." A menudo, los experimentos se centran en la polarización de sus fotones. Por ejemplo, si oscilan horizontal o verticalmente, o si están en un estado de superposición mecánico-cuántico en el que, en un sentido, asumen ambos estados simultáneamente. Similar a cómo se puede describir un punto en un plano bidimensional con dos coordenadas, el estado del fotón se puede representar como un punto en un espacio bidimensional ".

Pero un fotón también puede transportar información independientemente de la dirección de polarización. Uno puede, por ejemplo, utilice la información sobre la ruta en la que viaja actualmente el fotón. Esto es exactamente lo que ahora se ha explotado:"Un rayo láser genera pares de fotones en un tipo especial de cristal. Hay ocho puntos diferentes en el cristal donde esto puede suceder, "explica Marcus Huber. Dependiendo del punto en el que se creó el par de fotones, cada uno de los dos fotones puede moverse a lo largo de ocho caminos diferentes, o a lo largo de varios caminos al mismo tiempo, lo cual también está permitido según las leyes de la teoría cuántica.

Estos dos fotones pueden dirigirse a lugares completamente diferentes y analizarse allí. Se mide una de las ocho posibilidades, completamente al azar, pero como los dos fotones están entrelazados físicamente cuánticamente, siempre se obtiene el mismo resultado en ambos lugares. Quien esté parado frente al primer dispositivo de medición sabe lo que otra persona está detectando actualmente en el segundo dispositivo de medición, y nadie más en el universo puede obtener esta información.

Ocho estados, ocho dimensiones

"El hecho de que usemos ocho caminos posibles aquí, y no dos direcciones de polarización diferentes como suele ser el caso, hace una gran diferencia, ", dice Marcus Huber." El espacio de posibles estados cuánticos se vuelve mucho más grande. El fotón ya no puede ser descrito por un punto en dos dimensiones, matemáticamente existe ahora en ocho dimensiones ".

Esto tiene varias ventajas:Primero, permite generar más información:a 8307 bits por segundo y más de 2,5 bits por par de fotones, Se ha establecido un nuevo récord en la generación de claves de criptografía cuántica basada en entrelazamientos. Y en segundo lugar, se puede demostrar que esto hace que el proceso sea menos susceptible a interferencias.

"Con todas las tecnologías cuánticas, tienes que lidiar con el problema de la decoherencia, ", dice Marcus Huber." Ningún sistema cuántico puede protegerse perfectamente de las perturbaciones. Pero si entra en contacto con perturbaciones, entonces puede perder sus propiedades cuánticas muy fácilmente:los entrelazamientos cuánticos se destruyen. "Estados cuánticos de dimensiones superiores, sin embargo, tienen menos probabilidades de perder su enredo incluso en presencia de perturbaciones.

Es más, Se pueden utilizar sofisticados mecanismos de corrección de errores cuánticos para compensar la influencia de perturbaciones externas. "En los experimentos, se encendió una luz adicional en el laboratorio para causar alteraciones deliberadamente, y el protocolo aún funcionaba, "dice Marcus Huber." Pero sólo si usamos ocho caminos diferentes. Pudimos demostrar que con una mera codificación bidimensional ya no se puede generar una clave criptográfica en este caso ".

En principio, debería ser posible mejorar lo nuevo, un protocolo de criptografía cuántica más rápido y confiable mediante el uso de grados de libertad adicionales o un número aún mayor de rutas diferentes. "Sin embargo, esto no solo aumenta el espacio de estados posibles, También se vuelve cada vez más difícil en algún momento leer los estados correctamente, ", dice Marcus Huber." Parece que hemos encontrado un buen compromiso aquí, al menos dentro del rango de lo que es técnicamente posible actualmente ".