¿Volverán los piratas? (aunque sean cuánticos)

En realidad, los fenómenos que se producen en el mundo de lo cuántico pertenecen al reino de lo muy pequeño, de lo no visible. Un “salto cuántico” representaría, metafóricamente, a algo casi insignificante. Aunque podemos atribuir al adjetivo “cuántico” un sentido colosal o grandioso, si es que esta rama de la ciencia nos sugiere una sensación similar. El uso del lenguaje seguirá siendo arbitrario, tan arbitrario como siempre.

El movimiento de las partículas que obedecen a las leyes de la Mecánica cuántica se caracteriza debido a que su energía está restringida en paquetes o “cuantos”. La energía no se propaga de manera continua sino en cuantos bien definidos o determinados por la naturaleza. Revisemos un ejemplo básico que ilustra un “salto cuántico” real.

Un electrón gira alrededor del núcleo de un átomo en una órbita determinada. Si su energía decae, por cualquier razón, pasará a “sobrevolar” una órbita menor (de menor radio y que recorre con menos esfuerzo). Pero solo lo hará cuando alcance un valor permitido y acotado por la naturaleza (de nuevo los cuantos o paquetes de energía). El electrón se desprende del cuanto o cuantos de energía que ya no necesitará cuando “descienda” a la nueva órbita. Se ha producido un verdadero “salto cuántico”. En ese proceso se libera ese cuanto de energía y se transforma en la partícula más simple y ligera: el fotón. La luz se compone de estos fotones y su color, entre otros razones, depende de los cuantos de energía que albergue. Los fotones, como el resto de las partículas, están definidos por diversas propiedades que permiten identificarlos o caracterizarlos.

La luz se propaga de maneras muy diversas. Por ejemplo, mediante impulsos periódicos. Cada cierto tiempo (muchas veces cada segundo) se emiten impulsos que contienen una gran variedad de fotones con propiedades muy diferentes. A medida que estos grupos de fotones son más parecidos, la luz es más “pura”. Se pueden apreciar mejor sus colores e incluso la dirección de rayo llega a ser más precisa. A nadie le sorprende ya ver una haz de luz coherente formado por un rayo láser. El espectáculo es majestuoso.

Pues bien, una de las formas que se conocen para trasmitir datos e información es a través de rayos de luz confinados en las conocidas fibras ópticas. Estas fibras son “cables especiales” por donde viajan estos rayos de luz (generalmente láser). Se trata de estos impulsos, o grupos de fotones, que se emiten cada cierto tiempo. En un segundo pueden viajar muchos millones de grupos de fotones, cada uno de ellos es un impulso que contiene una unidad de información. En cada impulso viaja un conjunto de fotones que comparten las mismas propiedades cuánticas (lo que podría codificarse). El receptor de la información recibe cada impulso y lo descodifica.

La ventaja frente a la informática tradicional es que una partícula cuántica está definida por diversos parámetros. No como las “puertas lógicas” de la informática “clásica” que utiliza solo dos códigos: un “0” o un “1” (abierto o cerrado). Así se pasa del uso de la lógica binaria a otra pentavalente que permite manejar una mayor cantidad de información por cada viaje. Esta es la nueva tecnología que, con cierta probabilidad, se impondrá en un futuro próximo para las telecomunicaciones. Hasta aquí, todo parece maravilloso.

Antes de que todo esto llegue a funcionar, alguien ya ha identificado ciertos problemas. Se trata de un químico (E. Moermer) de la Universidad de Standford (desde el Valle del Silicio en EEUU). El científico norteamericano teme por la seguridad de la información transmitida mediante esta tecnología. Aparece de nuevo el fantasma del pirata informático. Esta vez proviene del futuro ya que el “pirata cuántico” todavía es una entelequia. Si un intruso quisiera acceder a cierta información enviada a través de impulsos de luz, lo tendría “relativamente fácil”. Sencillamente, debería aislar tan solo uno de los fotones que viajan en cada impulso de luz (algo imperceptible) y medir sus propiedades (que serán las mismas que el resto de fotones de ese mismo impulso). Aunque luego deba saber cómo descifrar el mensaje.

El emisor y el receptor de la información no apreciarían nada raro ya que los datos llegarían intactos, sin diferencias de cómo salieron. Aparentemente, sería una violación de la información muy sutil. Lo que no significa que no requiera de gran esfuerzo. Pero tecnológicamente es posible. Esto es lo que ha alarmado a los expertos en la seguridad sobre las comunicaciones en Internet.

Sin embargo, el químico de Standford ha propuesto una solución que, tecnológicamente, resulta compleja, pero actualmente es viable. El problema consistía en que resulta muy difícil detectar cuando alguien roba un solo fotón que forma parte de un numeroso grupo de ellos que viajan en un mismo impulso. Sin embargo, no habría tantos inconvenientes si el haz de luz estuviera compuesto por impulsos que sólo contuvieran un solo fotón. En cada etapa del “viaje” habría una sola partícula. Naturalmente, el “pirata” sigue con la posibilidad de robar un fotón, el único fotón de cada paquete o unidad de información. Pero ahora, el receptor notaría que uno de los impulsos llega vacío. Se esperaba un cuanto de energía y se produce un salto hasta detectar el siguiente.

Esto es otro verdadero “salto cuántico”. Lo que supone descubrir, con cierta facilidad, que ha habido una violación en la comunicación. Además, para interpretar los datos ajenos con cierta “calidad” habría que interrumpir muchas veces los impulsos para dotar de cierto sentido a la invasión. Hay que tener en cuenta que cada impulso supone una unidad de información y se necesitaría de una buena cantidad de ellos para entender de manera inteligible el mensaje intervenido. La solución parece ingeniosa y la protección asegurada.

Ahora se trata de saber cómo construir las fibras ópticas y los emisores de luz que cumplan estas condiciones. Hasta hace muy poco no era posible generar haces de luz con impulsos de un solo fotón. Pero recientemente alguien lo ha conseguido y se publicó en septiembre de 2000 por la prestigiosa revista Nature (disculpen por el pleonasmo). Así que W.E. Moerner visitó al Dr. B. Lounis de la Universidad de Burdeos (Francia). El científico francés ha sido el primero en conseguir, utilizando rayos láser, que moléculas aisladas emitan fotones aisladamente (de uno en uno). Incluso lo ha logrado a temperatura ambiente (muchos otros experimentos tienen éxito bajo condiciones realmente anómalas). De manera que el encuentro de ambos científicos hace posible que se detecten los problemas que suponen los “saltos cuánticos” en las comunicaciones del futuro ciberespacio.

Lo que parece seguro, según las declaraciones del químico de Standford, es que dentro de cinco o diez años usaremos transmisiones cuánticas a través de Internet. Así que no nos queda otra opción que trabajar en la criptografía cuántica o manejar la tecnología que envía mensajes por canales que usan un solo fotón en cada impulso. Restan algunos años para que se alcance un buen nivel tecnológico y de conocimiento para las comunicaciones cuánticas. Pero es el mismo periodo el que permitirá optimizar los sistemas de seguridad en Internet. En cualquier caso, hemos encontrado un buen ejemplo para ilustrar lo que significa un “salto cuántico”.