Una prueba con el láser que utilizará la Red Río Cuántica para conectar la UFF al CBPFTatiana Azzi (NCS / CBPF)
Sobre la bahía de Guanabara, en Río de Janeiro, una franja continua de láser verde recorre 6,8 kilómetros (km) hasta toparse con una ventana en la azotea del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), en el barrio carioca de Urca. La fuente emisora de luz se encuentra en una sala situada en lo alto del edificio del Instituto de Física de la Universidad Federal Fluminense (UFF), en la ciudad vecina de Niterói, al otro lado de la bahía. El láser es la parte más visible de los trabajos con miras a implementar la primera red metropolitana experimental de comunicación de Brasil basada en las propiedades de la mecánica cuántica: la Red Río Cuántica.
Además de la conexión a cielo abierto a través del haz de fotones entre estas dos instituciones, la red cuenta con casi 21 km de cables de fibra óptica que interconectan la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro (PUC-Río), el CBPF y, próximamente, el Instituto Militar de Ingeniería (IME). En el marco de su implementación que comenzó en 2021, la misma se encuentra en fase de pruebas e instrumentación y su propósito es utilizar la llamada criptografía cuántica para transmitir datos en forma segura.
En la criptografía tradicional, utilizada en los teléfonos móviles y computadoras de todo el mundo, la información se codifica en forma de bits clásicos (una secuencia binaria: 0 y 1) y se transmite por el mismo canal que las claves digitales empleadas para decodificarla. Un bit es la menor unidad de información que puede almacenarse y transmitirse. Solamente puede representar uno de esos dos valores posibles: 0 o 1.
La comunicación cuántica opera con un análogo del bit clásico, el cúbit, que puede asumir simultáneamente ambos valores: puede ser 0 y 1 al mismo tiempo. Esta propiedad, que se basa en el fenómeno cuántico denominado superposición de estados, amplía las posibilidades de la criptografía cuántica y hace que sea prácticamente inviolable. Un tipo de superposición particular es lo que se conoce como entrelazamiento o “enmarañamiento”, un recurso adicional utilizado en la seguridad de las redes de comunicación cuánticas. Es por ello que estas redes se consideran fundamentales para garantizar la seguridad de una serie de tareas en un futuro cercano, tales como la simple autenticación en una aplicación bancaria o incluso el intercambio de mensajes sensibles con la mira puesta en la seguridad nacional.
“La criptografía cuántica no se utiliza para codificar un texto, sino para crear y transmitir las claves que deben emplearse para que los mensajes puedan leerse de forma segura”, comenta el físico Antonio Zelaquett Khoury, coordinador de Río Cuántica. El ensamblado de la red es una operación sofisticada. Hasta ahora, las primeras pruebas garantizan que al menos algunos canales de comunicación de la red están funcionando de manera satisfactoria.
La UFRJ, la PUC-Río y el CBPF ya estaban conectados por cables de fibra óptica merced a una inversión realizada años atrás por la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Río de Janeiro (Faperj) y la Red Nacional de Enseñanza e Investigación (RNP) del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI). Como esta red disponía de fibras ociosas, fueron cedidas para que las utilice Río Cuántica. Desde la PUC-Río salen dos pares de fibras, uno para el CBPF y otro para la UFRJ (véase el mapa abajo). El canal que conecta con el CBPF funciona bien, pero el de la UFRJ tiene una señal débil y habrá que repararlo. La conexión entre el CBPF y el IME, la última institución que se ha sumado al proyecto, se encuentra en su etapa final de instalación. La distancia entre ambas es de solamente de 800 metros. Además del enlace por fibra óptica, en lo que resta de este año está prevista la instalación de una conexión adicional, vía láser a cielo abierto, entre el CBPF y el IME.
En la operación que se ha montado para la implementación de la Red Río Cuántica, la parte que está planteando un reto mayor es el enlace aéreo. El láser emitido en la UFF debe ser captado por el receptor óptico situado en una sala construida ex profeso en la terraza del CBPF para albergar el equipo. Cualquier parte de la luz que se desvíe puede menoscabar la integridad de la información transmitida. De momento, las partículas de luz verde aún llegan demasiado dispersas a la azotea del CBPF, una falla que se espera poder corregir antes de que finalice este año. “Los enlaces a larga distancia pueden dificultar mucho la transmisión cuántica. Incluso leves distorsiones o vibraciones en las terrazas pueden desalinear el haz de luz, por no hablar del efecto de los factores ambientales que atenúan la señal, tales como el calor, la niebla y la lluvia”, comenta el teniente coronel Vítor Andrezo, ingeniero de comunicaciones del IME y experto en comunicación óptica en espacio libre. Los sistemas cuánticos son muy frágiles y cualquier influencia del medio ambiente puede interferir en su funcionamiento.
Una vez que la infraestructura se encuentre montada, con los canales oportunos funcionando, el paso siguiente será la implementación de un protocolo de criptografía cuántica entre las instituciones para poner en práctica el propósito esencial del proyecto: la generación de claves criptográficas aleatorias a distancia. “El objetivo es que dos estaciones de investigación, denominadas Alice y Bob, compartan entre sí una clave criptográfica que codifica y decodifica los mensajes. Una vez utilizada, la clave debe descartarse”, explica Guilherme Temporão, del departamento de Ingeniería Eléctrica de la PUC-Río, que forma parte de la red.
El protocolo adoptado por la Red Río Cuántica utiliza un tercer agente, llamado Charlie, que puede ser confiable o no y que debe estar situado entre las estaciones Alice y Bob, formando una especie de circuito. El primer intento de implementación del protocolo bajo condiciones experimentales se hará entre la PUC-Río, en el papel de Charlie, y la UFRJ y el CBPF, que serán Alice y Bob, respectivamente. La intención del grupo es ir alternando los roles de cada institución implicada en la red para poder ensayar nuevas configuraciones. “En el protocolo, Charlie cumple la función de enviar fotones en blanco, sin ninguna información, que serán modificados por Alice y Bob y reenviados para que Charlie los detecte”, comenta Temporão.
La Red Río Cuántica recibió alrededor de 3 millones de reales en 2022 de una colaboración entre la FAPESP y el MCTI para su implementación inicial. El año pasado obtuvo otros 3 millones de reales del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) de Brasil. La agencia federal Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep), también puso a disposición del CBPF 23 millones de reales, de los que 1 millón se destinaron a las operaciones de la red y 22 millones a la construcción del Laboratorio de Tecnologías Cuánticas en la planta baja del centro. El nuevo espacio estará terminado en 2025.
Según el físico Ivan Oliveira, coordinador del proyecto del Laboratorio de Tecnologías Cuánticas del CBPF y miembro de Río Cuántica, el nuevo espacio de investigación tiene como objetivo la fabricación de materiales útiles para el proceso de computación cuántica. “Existen diferentes hardware candidatos para hacer este tipo de computación, y el laboratorio fabricará prototipos de chips cuánticos y otros componentes electrónicos”, explica Oliveira. “Se trata de dispositivos que deben funcionar a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto, en torno a 273 grados Celsius bajo cero [0 K]. Contaremos con refrigeradores para albergar los materiales que se elaboren”.
En Brasil se están gestando otras dos redes cuánticas metropolitanas, aún más en ciernes que la de Río de Janeiro, con financiación del CNPq. La Red Cuántica Recife está instalando una conexión por fibra óptica entre las universidades federales de Pernambuco (UFPE) y Rural de Pernambuco (UFRPE). La distancia entre ambas instituciones es de unos 5 km. Sin embargo, un retraso en la liberación de los fondos está dificultando el avance del proyecto.
El segundo proyecto contempla la instalación de una red de aproximadamente 4 km con tres nodos en la ciudad de São Carlos, en el interior del estado de São Paulo. Los nodos de esta red son la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), el Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP) y el Centro de Pesquisas Avançadas Wernher von Braun, una institución privada local que trabaja en el área de la física y la electrónica. “Por el momento, estamos evaluando la factibilidad de conectar vía fibra óptica la UFSCar a la USP, y ésta a la sede del Centro Wernher von Braun”, informa el físico Celso Villas-Bôas, de la UFSCar, coordinador del proyecto. Está previsto que la red cuántica de la ciudad paulista esté operativa dentro de dos años.
Lanzamiento del satélite Micius en 2016, uno de los dos utilizados por China para sus comunicaciones cuánticasSTR/ AFP via Getty Images
Redes en el exterior
Hace dos décadas empezó a hacerse realidad la idea de implementar redes metropolitanas para investigar el potencial de la comunicación cuántica. La primera iniciativa en este sentido surgió en 2003 en Estados Unidos y funcionó durante cuatro años. Se trataba de una red de criptografía cuántica que empleaba fibra óptica para interconectar la Universidad de Boston con la empresa de alta tecnología BBN Technologies y la Universidad Harvard, ambas en Cambridge, ciudad vecina de Boston, en el estado de Massachusetts.
Desde entonces, han ido surgiendo otras iniciativas de este tipo en todo el mundo. En mayo de este año, tres grupos de investigación independientes, con sede en China, Estados Unidos y Europa, divulgaron prácticamente en simultáneo que habían transmitido exitosamente fotones entrelazados entre distintos nodos de redes instaladas en zonas urbanas conectadas por fibra óptica. Este sería el paso inicial para la creación de una especie de internet cuántica. En el entrelazamiento, dos o más partículas (pueden ser fotones, electrones o átomos) se comportan como si fueran una única entidad entrelazada, aunque estén separadas por cualquier distancia. El resultado de las mediciones efectuadas en una partícula se correlaciona con el valor obtenido para la otra. Esta propiedad puede utilizarse para transmitir información.
El país que más está invirtiendo actualmente en comunicación cuántica es China, que ha desembolsado más de 15.000 millones de dólares en este sector incipiente, más que todos sus competidores juntos. El gigante asiático ya ha puesto en marcha algunas redes de criptografía cuántica. La mayor de todas enlaza actualmente por fibra óptica cuatro áreas metropolitanas ‒Pekín, Jinan, Hefei y Shanghái‒ y dispone de dos satélites con tecnología cuántica en órbita, Micius y Jinan 1, que se comunican con estaciones terrestres. En total, la red cubre más de 4.600 km. La Red Río Cuántica y sus homólogas de São Carlos y Recife son los primeros pasos que ha dado Brasil para la instalación de sistemas de comunicación basados en cúbits.
Proyecto
Red Cuántica Río (nº 21/06823-5); Modalidad Proyecto Temático; Convenio MCTI/MC; Investigador responsable Antonio Zelaquett Khoury (UFF); Inversión R$ 2.369.806,41.
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