Por fin: investigadores hallan un ‘número mágico’ que resuelve uno de los grandes misterios de la física

Las redes cuánticas representan un reto para la física moderna debido a su fragilidad estructural. Se trata de sistemas fundamentales para la transmisión de información segura y rápida, pero que sufren un problema crítico: las conexiones entre los nodos se destruyen tras cada uso. Pero esto, dejó de ser un problema gracias a un milagroso «número mágico».

Un equipo de investigadores, liderado por István Kovács de la Universidad Northwestern, identificó una solución eficiente. Publicado en Physical Review Letters, el estudio demuestra que es posible mantener la estabilidad de estas redes si se incorpora este «número mágico» de enlaces después de cada comunicación.

¿Por qué se dice que las redes cuánticas son frágiles?

Para comprender la estructura de estas redes, puede imaginarse un sistema de islas conectadas por puentes. Cada isla representa un nodo (como un ordenador cuántico) y cada puente es una conexión que permite la transmisión de información. Sin embargo, cada vez que alguien cruza un puente, este se destruye, reduciendo las conexiones disponibles.

Esta inestabilidad surge de la naturaleza del entrelazamiento cuántico, el principio físico que permite la comunicación instantánea entre partículas separadas por grandes distancias.

Según el estudio, «cada comunicación de un qubit elimina todos los enlaces participantes en el camino de comunicación». Sin una estrategia de regeneración, la red acabaría colapsando.

¿Cuál es el «número mágico» que soluciona este problema de la física?

El equipo de investigadores ha descubierto que no es necesario reconstruir todas las conexiones destruidas, lo cual resultaría poco viable. En su lugar, basta con añadir una pequeña cantidad de enlaces nuevos, definida por la siguiente fórmula:

Donde:

• a* es el «número mágico» de enlaces necesarios.
• N es el número total de usuarios en la red.

Este modelo muestra que, a medida que la red crece, la cantidad de conexiones adicionales necesarias aumenta a un ritmo mucho más lento. Algunos ejemplos prácticos:

• Para una red con 1.000 usuarios, bastan 32 enlaces nuevos para mantener la estabilidad.
• En una red de 1.000.000 de usuarios, se requieren 1.000 enlaces.

Este resultado tiene implicaciones clave para el desarrollo del internet cuántico, ya que permite planificar redes que no colapsen sin necesidad de recursos desmesurados.

¿Cómo se comportan las redes cuánticas bajo presión?

El estudio también analiza el comportamiento de estas redes en escenarios sin estrategias de mantenimiento. Los investigadores han determinado que, sin la regeneración adecuada de enlaces, las redes colapsan rápidamente, especialmente aquellas basadas en tecnologías como las fibras ópticas.

• Redes con pocos nodos interconectados tienden a desintegrarse en pocos ciclos de comunicación.
• Redes más densamente interconectadas sobreviven durante más tiempo, pero eventualmente también fallan si no se reponen enlaces.

Un hallazgo relevante es que la estructura inicial de la red no afecta el resultado final: si se añade el número adecuado de enlaces, todas las redes alcanzan un estado estable y funcional.

La influencia de la topología en la estabilidad de la red

El diseño inicial de una red cuántica impacta en su capacidad para resistir la destrucción de enlaces. Entre las configuraciones más comunes, se encuentran:

• Redes tipo árbol y panal bidimensional: eficientes en recursos, pero altamente frágiles ante la pérdida de conexiones.
• Redes Erdős-Rényi (ER): con conexiones distribuidas aleatoriamente, ofrecen mayor resistencia, aunque siguen siendo vulnerables sin regeneración de enlaces.
• Redes completamente conectadas: todos los nodos están enlazados entre sí, lo que las hace más robustas pero con un alto coste en recursos.

Independientemente de la topología inicial, todas las redes colapsan si no se implementa una estrategia de regeneración. Con la incorporación del «número mágico», es posible diseñar sistemas resilientes que mantengan la comunicación estable sin desperdiciar recursos.

¿Podría existir en el futuro un internet cuántico con este número mágico?

El internet cuántico podría revolucionar la comunicación digital, desde transacciones bancarias ultra seguras hasta colaboraciones científicas avanzadas. Sin embargo, su implementación a gran escala requiere resolver problemas fundamentales, como la fragilidad de sus redes.

Así, el hallazgo de este «número mágico» abre la puerta a estrategias de mantenimiento automatizadas. Las redes cuánticas podrían ser programadas para detectar la pérdida de enlaces y añadir nuevos de manera eficiente, garantizando su estabilidad a largo plazo.

Como indica Kovács en el estudio, «el diseño estratégico de las redes cuánticas permitirá superar las limitaciones de las redes clásicas».