Del Rajan y Matt Visser, de la Universidad de Queen Victoria en Wellington, han publicado recientemente un documento en el que proponen un proyecto de un blockchain basado en principios cuánticos. Estos han propuesto un proyecto blockchain que se basará en una red de bloques entrelazados. Y estos bloques no solo estarán entrelazados en el espacio, sino también en el tiempo. De hecho, estos han sugerido crear una máquina del tiempo cuántica.
El experimento de la doble rendija
Los fundamentos de la mecánica cuántica comienzan con el Experimento de la Doble Rendija - una prueba realizada por primera vez en la década de 1920, y refinada, reproducida y probada en numerosas ocasiones desde entonces.
Imagínese que tenemos dos tablas - una (tabla A) se encuentra a unos pocos pies delante de la otra (tabla B). La tabla A, en la parte delantera, es una tabla maciza con una abertura lo suficientemente grande como para que pase un solo grano de arena. La tabla B, situada en la parte trasera, tiene un recubrimiento especial que registra los impactos.
También tenemos una pistola especial que dispara granos individuales de arena. Si retrocedemos un poco y empezamos a disparar granos de arena en nuestra configuración, es lógico suponer que la placa B tendrá ese patrón:
Y eso es exactamente lo que pasa. Ahora cambiamos las cosas un poco, y cortamos una segunda hendidura en la primera tabla tal y como se muestra, y de nuevo disparamos granos individuales de arena. Esperaríamos este patrón, ya que los granos (asumiremos al azar) pasan por una u otra abertura.
Hasta ahora, todo va según el plan. Es exactamente lo que esperábamos ver. Sin embargo, ahora reemplacemos el chorro de arena con una pistola de fotones. Cerramos la segunda ranura, dejando solo la primera abertura, y empezamos a disparar con fotones. Este es el patrón resultante:
Justo como se esperaba. Pero ahora abrimos la segunda rendija, esperando el mismo patrón que la prueba de arena de doble rendija. Pero las cosas se ponen interesantes a medida que observamos este patrón en su lugar:
Este patrón se denomina patrón de interferencia y se observa típicamente cuando se trabaja con ondas (ondas sonoras, por ejemplo). Puede imaginarse los efectos como olas en el agua - si tira dos rocas en lugares separados en un pequeño lago, las ondas de cada roca acabarán colisionando e interfiriendo.
Pero espere, enviamos un solo fotón a través de la tabla. Es imposible que un solo fotón interfiera consigo mismo. ¿Cómo puede un solo fotón provocar este tipo de patrón?
La cosa se pone todavía más extraña. Digamos que añadimos algo nuevo al experimento - añadimos un detector justo después de la tabla A que puede detectar a través de qué ranura ha pasado el fotón. Una vez que sepamos a través de qué rendija ha pasado el fotón, podremos probar que de alguna manera no ha pasado por ambas rendijas. Realizamos el experimento de nuevo, y obtenemos un segundo resultado aparentemente imposible:
Hemos vuelto al patrón que esperábamos. El fotón de repente deja de mostrar el patrón de interferencia y empieza a mostrar el patrón de arena que esperábamos desde el principio. ¡Cuando empezamos a detectar el fotón, este ha alterado su comportamiento!
Este experimento ha sido realizado y probado en muchas ocasiones y de muchas maneras. En resumen:
- Un solo fotón parece viajar a través de ambas rendijas al mismo tiempo, interfiriendo consigo mismo y creando el patrón de interferencia.
- Si intentamos detectar el fotón, el fotón repentinamente escoge una sola rendija y cambia el patrón observado.
¿Cómo es todo esto posible? Esta es la base de la física cuántica. La partícula está viajando por todos los caminos posibles al mismo tiempo, e interfiriendo consigo misma. La partícula existe a lo largo de ambos caminos, hasta que intentamos detectarla, momento en el cual la partícula escoge solo uno.
Las partículas se encuentran en una superposición de posibles estados (al menos hasta que se miden). Esto no significa que las partículas podrían ser A o B y no lo sabremos hasta que midamos. Esto significa que literalmente son A y B, al mismo tiempo, hasta que se miden, momento en el que eligen A o B.
Eso va en contra de todo lo que observan nuestras mentes.
Para entender nuestro nuevo blockchain tenemos que entender un concepto más sobre la física cuántica: el entrelazamiento cuántico. El entrelazamiento cuántico ocurre cuando dos partículas se entrelazan de modo que ambas permanecen correlacionadas como un solo sistema, incluso a través de grandes distancias.
Digamos que tenemos dos partículas A y B. Tomamos la partícula A, la entrelazamos con la partícula B, y luego la separamos. Ahora recuerde, de lo anterior, que ambas partículas están en superposición de posibles estados - lo que significa, por ejemplo, que están girando en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario al de las agujas del reloj al mismo tiempo. Ahora que hemos separado las partículas, si medimos el giro de A, y esta gira en el sentido de las agujas del reloj, y un instante más tarde otra persona mide B - B siempre se moverá en sentido contrario a las agujas del reloj.
Entrelazamiento significa que de alguna manera B sabía, instantáneamente, lo que A había escogido, sin importar la distancia entre A y B.
¿Cómo se enredan los fotones? Dirija un láser hacia un cristal óptico no lineal y uno de cada mil millones de fotones se dividirá y emergerá como dos fotones enredados.
De vuelta a nuestra propuesta blockchain. Resulta que dos partículas no solo pueden permanecer entrelazadas a grandes distancias, sino que también pueden permanecer entrelazadas en el tiempo. La partícula B puede permanecer entrelazada con la partícula A, incluso cuando la partícula A ya no existe.
En base a esto, Rajan y Visser proponen un blockchain cuyos bloques no son bloques de datos que coexisten en la cadena al mismo tiempo, sino fotones, enredados en el tiempo entre sí, de los cuales los fotones más antiguos ya no existen, pero todavía están enredados con los fotones del estado actual.
En un blockchain tradicional, un grupo de transacciones del pasado, que sucedieron más o menos al mismo tiempo, son recolectadas en bloques de datos, con fecha y hora, escritas en la cadena y vinculadas al bloque anterior. Si un atacante intenta alterar un bloque, las funciones hash dificultan el ataque. Cuanto más viejo es el bloque, más difícil es hackearlo con éxito: todos los bloques que conducen a ese bloque también tienen que ser hackeados. Los nodos validadores de la red, a través de incentivos y algoritmos de consenso, garantizan la veracidad de los datos y, por lo tanto, la descentralización de la red.
En el blockchain cuántico propuesto, las funciones de la cadena (bloques, datos, marcas de tiempo) tienen las mismas funciones que un blockchain tradicional, pero funcionan mediante métodos cuánticos. Los objetivos de la cadena son los mismos: bloques de datos válidos almacenados en una red descentralizada.
Datos
En nuestra nueva cadena, en lugar de codificar los datos mediante bits, los datos se codifican a través de qubits. Los qubits pueden ser una variedad de partículas subyacentes y estados físicos, y son la unidad básica de la información cuántica. A diferencia de los bits, que son un 1 o un 0, los qubits son 1 y 0 al mismo tiempo. Así que un qubit podría ser un electrón que tiene un giro hacia arriba y hacia abajo. Esta es la superposición que hemos visto antes. En el caso de nuestro nuevo blockchain, los qubits van a ser nuestros fotones.
Codificación
¿Cómo se escriben los datos reales en un bloque? Esto tiene lugar a través de un proceso llamado codificación superdensa. La codificación superdensa es un método de envío de dos bits tradicionales de información (00, 01, 10, u 11) usando un solo qubit.
Imagina que Alice quiere enviarle información a Bob. Se envían dos qubits entrelazados, a Alice y Bob. Alice, dependiendo del mensaje de dos bits que quiera enviar, aplica una puerta cuántica a su qubit que establece el entrelazamiento entre los dos qubits a un cierto estado de Bell (los estados de Bell son una forma de medir los estados cuánticos entrelazados entre dos fotones). Existen cuatro posibles estados de Bell, que se relacionan muy bien con los cuatro posibles 2 bits de información que Alice está intentando enviar.
Alice ahora envía su qubit a Bob, quien puede medir el estado de Bell entre los dos qubits, y decodificar el mensaje de dos bits que Alice envió. Por ejemplo, si el estado medido de Bell es X, él sabe que Alice está enviando los bits 00. Si el estado de Bell es Y, Alice está enviando los bits 01. Y así sucesivamente.
Esta es una buena explicación. En la práctica, nuestro blockchain se basa en teorías un poco más recientes, donde Bob no necesita los qubits para medir el estado de Bell - puede determinar el estado de Bell a partir del propio entrelazamiento. Pero el concepto es el mismo.
Bloques
Un bloque de datos en nuestro nuevo blockchain recibe el nombre de estado GHZ. Imagínese un estado de GHZ como la colección de entrelazamientos entre todos los fotones del bloque. En un estado de GHZ, si alguno de los fotones es alterado, todo el estado de GHZ se desmorona.
Ahora vamos a analizar el proceso de escritura y verificación de datos en el blockchain cuántico paso a paso.
- Un nuevo bloque de datos (recuerde, los datos están codificados en qubits dentro de un estado GHZ) es propuesto a la red por algún nodo no fiable. Este nuevo bloque se comparte con todos los nodos de la red.
- No sabemos si podemos confiar en este nodo, por lo que se elige aleatoriamente un nodo verificador de la red a través de un generador de números cuánticos aleatorios.
- Mediante el uso del protocolo theta, la red verifica que el nuevo bloque propuesto es válido. El protocolo theta verifica el bloque por medio de lo que yo llamo matemáticas de fantasía, que miden si el bloque contiene o no un entrelazamiento multipartito genuino (GME) - un tipo de entrelazamiento que solo puede existir si todos los qubits en el estado GHZ estuvieran involucrados en la creación del estado. Para lograr esta prueba, el verificador genera un conjunto de ángulos aleatorios y los envía a la red. Cada nodo mide los qubits contra los ángulos usando unas matemáticas complicadas que validan los datos.
- Una vez que el bloque de datos es aceptado como verdadero, los otros nodos entrelazan los qubits en el nuevo estado de GHZ a los qubits en el estado GHZ actual, “absorbiendo” todos los entrelazamientos en un solo estado de GHZ. Todo el historial del blockchain ahora está codificado en el estado más reciente de GHZ.
- Y finalmente, aquí hay algo de magia. Los qubits del bloque de datos anterior se destruyen, dejando solo el qubit más actual. Sin embargo, el entrelazamiento entre los qubits anteriores - y todos los qubits anteriores a lo largo del historial del blockchain - sigue existiendo. Podemos extraer esa información, ya que los entrelazamientos poseen los datos codificados en la cadena - por lo que tenemos acceso a todo el historial de datos. Pero - y aquí está la clave - puesto que los qubits más antiguos ya no existen, no se pueden cambiar los bloques más antiguos o el historial de entrelazamiento. Y si intenta modificar el bloque actual, el entrelazamiento se desenreda y todo el blockchain se desmorona. Esta cadena está cerrada y asegurada.
En un blockchain clásico, cambiar bloques viejos es caro y difícil. En un blockchain cuántico basado en un espacio físico, el cambio de bloques viejos se hace cada vez más difícil, a medida que los bloques se entrelazan, y el cambio de un bloque viejo rompe el entrelazamiento e invalida toda la cadena.
En nuestro nuevo blockchain cuántico basado en el tiempo, la protección es aún mejor: los nodos antiguos no se pueden modificar porque ya no existen. En el mejor de los casos, un atacante puede intentar modificar el bloque actual. Pero cualquier intento de modificar el bloque actual implica mirar a ese bloque, lo que inmediatamente invalida toda la cadena rompiendo el entrelazamiento.
Este estado de blockchain basado en el tiempo existe en el entrelazamiento entre fotones que nunca existió al mismo tiempo, pero que todavía comparten un entrelazamiento que existe en el momento actual.
En otras palabras, este blockchain no vincula el bloque actual a un registro del pasado, sino que lo vincula al registro real del pasado que ya no existe. Si se midiera el fotón actual existente, se cambiaría el fotón que ya no existe.
Vamos a intentar explicarlo de nuevo:
Los bloques están enlazados, no con bloques del pasado que todavía existen, sino que están enlazados, a través del tiempo, con los bloques reales del pasado, que ya no existen.
Es decir, el entrelazamiento viaja hacia atrás en el tiempo. Este blockchain está, literalmente, influenciando y cambiando eventos que ya han ocurrido. Eso es contraintuitivo. Los autores describen este nuevo blockchain como una “máquina del tiempo cuántica en red”.
¿Es real?
Este nuevo blockchain es un concepto, y aún no se ha construido. Pero “ya se ha demostrado que todos los subsistemas de este diseño se han realizado experimentalmente”, dicen Rajan y Visser. Así que sí, la ciencia es real. Pero no, el blockchain todavía no existe.