En la actualidad, la gran tasa de bits transmitidos y su tendencia al crecimiento asi como la susceptibilidad de los canales de comunicacion ante el robo de informacion durante la transmision, motivan la busqueda de alternativas a la transmision actual de datos. La mecanica cuantica y el estudio de las propiedades de las particulas elementales nos ofrecen una perspectiva diferente que da origen a una tecnologia nueva, la tecnologia cuantica aplicada en este caso a la transmision de datos. El presente articulo se enfoca en un analisis de las limitaciones de la transmision electronica y de los alcances de la transmision cuantica para valorar sus pros y contras ante la reciente convivencia entre ambos sistemas de transmision; Asi tambien se evalua la compatibilidad entre ambos, la capacidad del canal donde transmitir y su fiabilidad. Las conclusiones nos dicen que la tecnologia cuantica puede mejorar sustantivamente la capacidad de transmision de los canales de comunicacion, en un medio cuantico libre de interferencias hasta ahora conocidas y compatibles con los sistemas de transmision electronica “clasicos”. Palabras clave: tecnologia cuantica, transmision de datos, entrelazamiento cuantico, mecanica cuantica.
En la actualidad, la gran tasa de bits transmitidos y su tendencia al crecimiento asi como la susceptibilidad de los canales de comunicacion ante el robo de informacion durante la transmision, motivan la busqueda de alternativas a la transmision actual de datos. La mecanica cuantica y el estudio de las propiedades de las particulas elementales nos ofrecen una perspectiva diferente que da origen a una tecnologia nueva, la tecnologia cuantica aplicada en este caso a la transmision de datos. El presente articulo se enfoca en un analisis de las limitaciones de la transmision electronica y de los alcances de la transmision cuantica para valorar sus pros y contras ante la reciente convivencia entre ambos sistemas de transmision; Asi tambien se evalua la compatibilidad entre ambos, la capacidad del canal donde transmitir y su fiabilidad. Las conclusiones nos dicen que la tecnologia cuantica puede mejorar sustantivamente la capacidad de transmision de los canales de comunicacion, en un medio cuantico libre de interferencias hasta ahora conocidas y compatibles con los sistemas de transmision electronica “clasicos”. Palabras clave: tecnologia cuantica, transmision de datos, entrelazamiento cuantico, mecanica cuantica.
Cuando se aplican los metodos de analisis propios de la Mecanica Cuantica al estudio de la informacion , se obtienen resultados no reconciliables con la Teoria de la informacion.Clasica.Suge asi un nuevo paradigma de descripcion formal de la informacion:el proporcionado por la Teoria de la Informacion Cuantica. En los ultimos anos esta reciente disciplina ha experimentado un enorme progreso que ha puesto en evidencia sus grande ventejas potenciales , respecto a su analogo clasico, en el tratamiento, transmision y especialmente proteccion de informacion clasica. Sin embargo, del mismo modo que este ultimo recurso (la proteccion de informacion clasica)es imprescindible para la sociedad actual, debido a la expansion y popularizacion de las redes abiertas de ordenadores, el problema cuantico analogo (la proteccion de informacion puramente cuantica)tambien podria tener gran importancia en los futuros sistemas cuanticos de comunicacion. La proteccion de la informacion esta fuertemente relacionada con dos de lso principales servicios criptograficos:La confidencialiddad y la integridad o autenticacion de informacion.El proposito de esta tesis es estudiar la viabilidad de la version cuantica del segundo de estos servicios y desarrollar protocolos eficientes par la autenticacion de informacion cuantica,es decir , sistemas criptograficos que garanticen que un mensaje de naturaleza cuantica no ha sido modificado o reemplazddo sin aautorizacion en el canal de comunicaciones.Asimismo , se estudian las posibles ventajas del prceso cuantico de la informacion , respecto al clasico, en la autenticacion de informacion exclusivamente clasica.
En un principio, la Teoría de la Información fue concebida en forma abstracta, en base a una formulación matemática. Sin embargo, la habilidad y eficiencia para procesar o transmitir información dependerá en última instancia del sistema físico elegido para codificar esa información. Es así que, al codificar la información en las propiedades físicas de sistemas cuyo comportamiento se describe por las leyes de la mecánica cuántica, se abren nuevas posibilidades que son irrealizables clásicamente. Entre ellas, la posibilidad de generar algoritmos cuánticos para ciertos cálculos que requieren un número de pasos significativamente menor que cualquier algoritmo clásico, reduciendo su complejidad. Entre las características fundamentales de la mecánica cuántica que posibilitan estos desarrollos, sobresalen el principio de superposición y el entrelazamiento cuántico. Una de las implementaciones más accesibles para la comunicación cuántica y el procesamiento cuántico de la información emplea fotones individuales como portadores de la información. Estos pueden viajar entre dos estaciones distantes siendo poco afectados por el ruido que introduce el entorno. Además, poseen varios grados de libertad en los cuales es posible codificar la información y pueden manipularse con un alto grado de control utilizando tecnología estándar. En este trabajo se describen algunas aplicaciones de la implementación fotónica, realizadas en colaboración con el Laboratorio de Procesado de Imágenes (LPI) del Depto. de Física de la UBA. En primer lugar, se describe la determinación experimental de medidas de correlaciones cuánticas en estados no puros de un par de fotones correlacionados en polarización, mediante técnicas de tomografía de estados cuánticos. Luego se describe la utilización de moduladores espaciales de luz programables para entrelazar la polarización con grados de libertad espaciales, y así poder simular los denominados estados historia de evoluciones temporales cuánticas. Se muestra que este último proveeun esquema eficientepara el cálculo de promedios temporales de observables del sistema.
En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos opticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuanticas para realizar Distribucion Cuantica de Claves(DCC) criptograficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Especificamente, se estudia la implementacion de esquemas practicos y robustos de DCC, con especial interes en sistemas basados en fibra optica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuanticos con bajisimas atenuaciones y minimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilometros. Los protocolos de DCC estudiados codifican informacion clasica (bits) en estados cuanticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas fisicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarizacion y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologias especificas para la preparacion, transmision y deteccion de dichos estados cuanticos. El problema de transmitir estados cuanticos en fibra de forma eficiente y robusta se ataco con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarizacion y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarizacion, que es facilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporo un sistema de estabilizacion activa del Estado de Polarizacion(SOP, por su sigla en ingles). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clasico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarizacion de pulsos de luz para codificar los estados cuanticos. Esto requirio el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un laser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorcion. Se diseno un sistema de estabilizacion de la polarizacion robusto que permite compensar de forma automatica las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarizacion. El sistema esta basado en controladores de polarizacion comerciales y electronica de control disenada especificamente, y puede ser adaptado facilmente a cualquier protocolo de comunicacion por fibra. En este sentido, se realizo una implementacion del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilizacion de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarizacion. En el segundo caso, se ensayo una codificacion mas sofisticada y resistente a perturbaciones, que implico enfrentar una serie de desafios tecnologicos, pero que se presenta como una alternativa practica y escalable en distancia de transmision y velocidad. Se propuso un esquema hibrido de DCC basado en un protocolo de referencia de fase distribuida con comunicacion bidireccional (Plug & Play), ambas tecnologias desarrolladas para trabajar especificamente en fibra optica, en un esquema con economia de recursos y distribucion tipo servidor-cliente. Asi, se obtuvo una configuracion en donde tanto el instrumental como las operaciones sobre los estados mas sensibles del protocolo se encuentran concentradas en una de las partes (servidor), mientras que los requerimientos sobre la otra parte involucrada en la comunicacion son minimos. Esta alternativa combina diferentes caracteristicas deseables en una implementacion practica de DCC, como la simplicidad y la robustez. El esquema propuesto codifica estados cuanticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirio el desarrollo de dispositivos especificos para preparar y medir estos estados, basados en interferometros de fibra optica que no demanden estabilizacion activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarizacion, que se logra a partir de la incorporacion de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por ultimo, debido al tipo de codificacion y al sistema de sincronizacion utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmision en el rango de los MHz. De los experimentos de DCC mencionados se desprenden una serie de desarrollos y pruebas de laboratorio adicionales, que son relevantes por si mismos. Entre ellos figuran la estabilizacion activa de interferometros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo hibrido de DCC propuesto. Tambien se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autonomo de DCC en aire y su adaptacion para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuanticos. Este es un tema de interes para el procesamiento cuantico de la informacion en general. Las tecnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilizacion de estados cuanticos en comunicaciones por fibra optica. Ademas, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ambito del laboratorio, como en un contexto mas amplio que permita implementar otros protocolos de comunicacion cuantica usando fibras opticas de telecomunicaciones como canal cuantico.
[ES] Este Trabajo de Fin de Grado, parte de la teoría clásica de la información de Claude E. Shannon y la extiende al dominio cuántico para estudiar cómo un único qubit es capaz de transportar mensajes de origen clásico con la máxima capacidad y mínimo error posible. Se presentan modelos analíticos y gráficas que relacionan la capacidad del canal y la probabilidad mínima de error al discriminar entre estados en los alfabetos propuestos. Se han estudiado tanto canales ideales como canales con ruido caracterizado. El marco propuesto muestra que el límite de Shannon se conserva, pero podemos acercarnos mucho a él eligiendo de manera oportuna cómo realizamos esa medición. Esta transmisión de información clásica a través de canales cuánticos abre un abanico de aplicaciones muy amplio como por ejemplo la distribución cuántica de claves, las redes 6G híbridas, el internet cuántico, los sensores de alta precisión y la nube cuántica segura. En resumen, este TFG abre la puerta a que, en un futuro, todo tipo de información pueda apoyarse en la física cuántica para viajar con una seguridad inquebrantable, una gestión más eficiente de los recursos y nuevas posibilidades de transmisión imposibles de lograr con la tecnología clásica.
La mecánica cuántica introdujo fenómenos novedosos, cuyo aprovechamiento permite \nuna potencial mejora de las tecnologías respecto de aquellas que no cuentan con \nellos. Estas tecnologías son denominadas las \\tecnologías cuánticas", que engloban la \ncomputación cuántica, criptografía cuántica, comunicación cuántica y a los sensores \ncuánticos. En el caso de los sensores cuánticos, sus propiedades cuánticas son utilizadas \ncomo recurso para el proceso de estimación de magnitudes (parámetros) de interés. \nLa máxima precisión admisible, lo que se llama información, depende fuertemente del \nesquema de control implementado en el sensor [11]. \nEn particular, dado que en la cuántica, las mediciones afectan al estado del sistema, \néstas representan un recurso disponible para definir el esquema de control. El \nefecto Zenón cuántico congela la evolución del sistema sensor a través de mediciones \nproyectivas frecuentes, mientras que el efecto anti-Zenón cuántico acelera su evolución \ntemporal. En ambos casos, el control consiste de mediciones estroboscópicas cada algún \nintervalo de tiempo y ha demostrado ser una herramienta de control de la señal de un \nespín al que utilizaremos como sensor. En particular, se encontró experimentalmente \nque esta forma de control reduce la cantidad de parámetros involucrados en la dinámica \n[17] y, en determinadas circunstancias mejora su precisión [11]. \nEn este trabajo, con el objetivo de desarrollar un marco teórico base, consideramos \nel control por mediciones proyectivas de sistema de dos niveles regido por un Hamiltoniano \nindependiente del tiempo, para estimar el acople entre los dos niveles. Este \nmodelo posee los elementos escenciales presentes en dinámicas cuánticas más complejas \npara evaluar la información extraíble utilizando el efecto Zenón cuántico. El acople \nentre niveles induce una dinámica oscilatoria de intercambio de excitación entre un \nnivel y otro, mientras que la separación de energía representa un \\offset", poniendo \nal sistema fuera de resonancia. Encontramos que el tiempo óptimo entre mediciones \nproyectivas para maximizar la información depende de la intensidad del offset. Para \nvalores altos de offset, cuyo valor está denido por el tiempo de evolución del sensor, \nlas mediciones proyectivas son más efcientes para estimar el acople. Denominamos este \nconcepto amplicación de información a través del efecto Zenón cuántico. Ejemplicamos \neste principio mediante la particularización de este desarrollo a sistemas de interés \npráctico. También presentamos un mecanismo de medición alternativa, donde el colap \nso del sistema es causado por la interacción con un ambiente ruidoso. Recuperamos en \nestas circunstancias los resultados obtenidos bajo la suposición de proyección ideal, y \nexploramos la posibilidad de utilizar el colapso parcial inducido por este ambiente bajo \ncortos tiempos de interacción como herramienta para medir parámetros del ambiente \neficientemente y de forma no invasiva.
Las ciencias que se relacionan con la informática, ya sea en el procesamiento electrónico de datos, o su almacenamiento en grandes volúmenes y la transmisión de esa información por redes que dan la vuelta al mundo casi instantáneamente, se preparan para dar un salto cualitativo y cuantitativo de grandes dimensiones. El desarrollo de sistemas de cómputo basados en la mecánica cuántica así nos lo promete. El computo cuántico será la nueva revolución industrial de este incipiente siglo, algunas grandes compañías se han decantado por esta nueva tecnología que promete solucionar los cuellos de botella que se presentan por el manejo y análisis de este gran volumen de datos (Big Data). Investigaciones realizadas indican que es posible, aunque al parecer los costos de operación y desarrollo indiquen lo contrario. Veamos las características del equipo que se oferta actualmente en el mercado y los avances que se han logrado en este campo, además del lenguaje de programación para simular la programación cuántica; este es el caso del Q# (Q Sharp de Microsoft). Este lenguaje nos lleva ya a poder enfrentar soluciones complejas intratables en la programación convencional, y nos prepara para la programación de muy alto rendimiento que es la programación cuántica.