Les xarxes impregnen totes les estructures d’informació. Estan per tot arreu: són la base de sistemes socials com les relacions d’amistat, les relacions comercials entre països o les omnipresents xarxes socials, com Facebook i Twitter. També les trobem en la natura: l’alimentació entre espècies, els moviments migratoris de les aus o el funcionament del cervell. I a més, en sistemes artificials creats per nosaltres: la xarxa elèctrica, la xarxa de carreteres o les xarxes de comunicacions, com el telèfon o Internet.
El seu disseny, però, no és sempre el que més s’ajusta al nostre interès. De vegades, per exemple, una carretera o un cable de telecomunicacions no arriba fins on ha d’arribar, o ho fa de manera molt lenta i fent molta volta. En aquests casos, ¡com ens agradaria poder canviar-ne la distribució, per a que s’ajustés a les nostres necessitats! Resulta que, en el cas de les comunicacions, podria ser possible gràcies a la física quàntica.
Algunes xarxes són ben regulars i predictibles, com els carrers de l’Eixample de Barcelona, i d’altres tenen una forma molt més enrevessada i complexa, com els carrerons del barri del Carme de València. Les xarxes que trobem a la natura, i també moltes d’artificials o socials, solen ser complexes: tenen una estructura no gaire ordenada, resultat de com han anat creixent, però tot i així amb algunes propietats característiques. Per exemple, hi ha alguns punts de la xarxa, que anomenem nodes, que estan molt més connectats que els altres, i és per on es concentra la majoria del trànsit. Com les grans ciutats d’un país, per on circula molta gent. Una altra característica és que hi ha grups de nodes que estan molt relacionats entre ells. Pensa per exemple en uns quants amics teus: és fàcil que també es coneguin entre ells.
L’estructura d’aquestes xarxes té un efecte decisiu en el seu funcionament. De vegades és un efecte bo: quan falla un node en un grup molt ben connectat, l’error no afecta tota la xarxa i la connexió es manté. Però d’altres pot jugar en contra: en una societat molt cohesionada les epidèmies s’estenen molt ràpidament i afecten tothom.
Les xarxes de comunicació, com ara Internet, solen tenir també una estructura complexa. Aquestes xarxes han de transmetre informació entre els ordinadors, i han anat creixent per a fer-ho de la manera més eficient possible. Però el creixement no ha estat sempre del tot ordenat, i l’estructura que n’ha quedat potser es podria millorar. I més important, aquestes xarxes encara no aprofiten l’avantatge que pot suposar l’última gran revolució de la física: la quàntica.
A principis del segle passat es va descobrir que el comportament de la natura a escala microscòpica no era el que s’esperava. Com sempre que una teoria no pot explicar acuradament el món que ens envolta, els científics van crear una teoria nova, basada en nous principis, que fos capaç de fer-ho. Va néixer així la física quàntica, que sí que podia explicar aquests fenòmens. I com que la transmissió de la informació, i també el seu processament, són processos físics, també segueixen aquestes lleis de la física. Això comporta algunes restriccions (una de les més importants, que un missatge quàntic no es pot copiar sense destruir-ne la versió original!), però també ens ensenya fenòmens espectaculars que fins ara consideràvem de ciència ficció, com la teleportació. Molts d’aquests efectes apareixen gràcies al que anomenem entrellaçament. És una propietat que només es troba en partícules quàntiques i que permet enviar informació d’una partícula a una altra sense que estiguin directament connectades, com si fos una mena de “cable quàntic” virtual. La teoria de la informació quàntica estudia com es poden utilitzar aquests principis per a millorar la transmissió i el processament de la informació, i dissenyar noves maneres de fer-ho.
Tot això pot semblar impossible de realitzar amb la tecnologia actual, però hem d’esperar que aquest segle XXI la tecnologia quàntica transformi la nostra vida. També l’electromagnetisme semblava màgia, i avui en dia a totes les cases arriba l’energia elèctrica i les xarxes de telecomunicacions tenen un abast global. De fet, algunes aplicacions de la física quàntica ja existeixen i estan en marxa actualment. Un exemple és la criptografia quàntica, que permet enviar missatges de manera totalment secreta, basant-se en la seguretat que proporcionen les lleis de la naturalesa. Aquesta aplicació es troba inclús disponible al mercat, i ha fet possible transferències bancàries a Viena o l’enviament de vots secrets a Ginebra.
Com podem, doncs, utilitzar la física quàntica per a millorar la comunicació en una xarxa complexa? En aquestes xarxes, cada punt està connectat per entrellaçament, que podem utilitzar per a enviar la informació. Però aquesta informació es degrada quan la distància que ha de recórrer és molt gran. Si l’estructura de la xarxa no és la millor, alguns punts poden quedar molt allunyats dels altres, i es fa impossible comunicar-nos amb ells.
I si poguéssim canviar l’estructura de la xarxa, seria més fàcil comunicar-nos? La resposta és que sí, i a més hi ha una manera de fer-ho. Actuant localment en el nostre node de la xarxa, podem aprofitar l’entrellaçament que tenim amb dos veïns i redirigir-lo per a crear una estructura nova. És com si estiguéssim estenent “cables” nous entre els veïns, que originalment no estaven connectats, de manera que la comunicació entre ells es fa més fluïda. Si ho fem ben fet, aquest canvi local té un efecte global: permet establir entrellaçament a grans distàncies, i per tant poder-nos connectar amb tothom. Aquesta millora en l’estructura es pot aplicar a molts tipus de xarxa diferents, i en concret l’hem observat també en xarxes amb estructures semblants a les de les xarxes de comunicacions actuals.