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Reportaje el Mundo Cuántico - Dr. Mauricio López Romero & Dr. Neil V. Corzo
Qué son las Tecnologías Cuánticas?
Las Tecnologías Cuánticas son aquellas tecnologías que explotan las propiedades cuánticas de la lúz y la materia:
luz
Naturaleza corpuscular: fotones
Estadística cuántica: Bose-Einstein
Estados cuánticos de la luz:
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Estados comprimidos
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Estados coherentes
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Manipulación de fotones únicos
Aplicaciones:
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Desarrollo del Láser
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Ciencias de la Información
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Criptografía Cuántica
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Óptica Cuántica
materia
Naturaleza ondulatoria
Estadística cuántica: Bose-Einstein, Fermi-Dirac
Estados colectivos de la materia
Estados de mínima energía:
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Condensado de Bose-Einstein
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Gas degenerado de Fermi
Aplicaciones:
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Estudios fundamentales de la materia (superconductividad, superfluidez,...)
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Simulación Cuántica
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Memorias Cuánticas
Por qué desarrollar tecnologías cuánticas?
En el contexto de las telecomunicaciones, la transferencia de información es susceptible a ataques con tecnologías avanzadas, poniendo el riesgo el exitoso desarrollo y bienestar de la sociedad. Es por ello que surje la necesidad de fortalecer las telecomunicaciones, mediante un esquema de ciberseguridad con tecnologías cuánticas que aseguren la integridad y confidencialidad de la información que transita por las redes de comunicación.
Está demostrado formalmente que los sistemas cuánticos permiten establecer los protocolos de comunicación más seguros: basados en la transferencia de llaves cuánticas codificadas en estados cuánticos de luz (fotones) o materia (átomos). Estos sistemas presentan niveles de seguridad mayores a aquellos desarrollados con sistemas clásicos actualmente utilizados (telecomunicaciones basadas en ondas de radio, WiFi, entre otras), que basan su seguridad informática en protocolos de seguridad matemáticos.
El Laboratorio de Tecnologías Cuánticas brindará una infraestructura para el desarrollo de una plataforma tecnológica capaz de demostrar protocolos seguros de comunicación basados en las propiedades cuánticas de la luz y la materia. Dentro de este laboratorio se estudiaran sistemas cuánticos de luz y de materia. A continuación damos una breve descripción de cada uno de ellos.
luz
De acuerdo con la teoría cuántica, la luz —más allá de sólo ser considerada una onda electromagnética— consiste de partículas cuánticas (fotones). Estas partículas, que interactúan muy débilmente entre sí, son candidatos ideales a ser portadores de información; en ellos puede codificarse la información, mediante la manipulación de su estado cuántico. Estos fotones pueden ser transferidos a través de fibra óptica y/o en espacio libre para hacer su implementación extraordinariamente versátil: permitiendo la comunicación eficiente a corta y mediana escala por medio de fibra óptica; así como la comunicación a gran escala (satelital) en espacio libre. Las propiedades cuánticas de la luz han sido explotadas recientemente en varias formas de procesamiento de información cuántica. La idea básica es usar las leyes de la física cuántica para mejorar las capacidades de transferencia y manipulación de datos. Una de las aplicaciones es la Criptografía Cuántica, en la que se utiliza la mecánica cuántica para detectar la presencia de ataques en la transferencia de información confidencial entre dos interlocutores.
La distribución de llaves cuánticas constituye el mecanismo principal para el establecimiento de canales seguros de comunicación: la información va encriptada con una llave cuántica, cuya distribución se basa en la aleatoriedad de algunos procesos cuánticos. Dentro de los protocolos seguros de transferencia de información sobresalen: el BB84, el B92, y el protocolo de Ekert; todos ellos basados en la manipulación y transferencia de estados cuánticos de luz.
materia
Los átomos son candidatos ideales a ser almacenes de información, dada su estructura interna. En la actualidad se han desarrollado memorias cuánticas en las que los átomos absorben fotones (y la información contenida en ellos) y almacenan la información durante un tiempo finito. Estas memorias se han realizado con átomos alcalinos de Rb y Cs gracias a la simplicidad de su estructura interna. En particular los sistemas de átomos fríos permiten incrementar la eficiencia y duración del almacenamiento.
Más allá de ser puramente almacenes de información, los átomos —bajo las condiciones adecuadas— son sistemas cuánticos capaces de generar fotones individuales los cuales pueden ser aprovechados en protocolos de información cuántica más avanzados.