Una serie de demostraciones de Micius, un satélite de órbita baja con capacidades cuánticas, sienta las bases para una red de comunicación cuántica basada en satélites

Joseph C. Chapman y Nicholas A. Peters – Laboratorio Nacional de Oak Ridge

(Physics)-Pocas cosas han capturado la imaginación científica tanto como la inmensidad del espacio y la promesa de la tecnología cuántica. Micius, el satélite de comunicaciones cuánticas de la Academia China de Ciencias lanzado en 2016, ha conectado estos dos dominios inspiradores, produciendo una serie de emocionantes primeras demostraciones en comunicaciones espaciales cuánticas. Al revisar los esfuerzos que llevaron al lanzamiento del satélite y los principales resultados de la misión, Jian-Wei Pan y sus colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China brindan una perspectiva sobre cómo puede ser el futuro de las comunicaciones espaciales cuánticas [ 1]. El éxito de esta misión de satélite cuántico demuestra la viabilidad de varios protocolos de comunicaciones cuánticas basados ​​en el espacio, lo que proporciona una base sólida para futuras mejoras que pueden conducir a una red de comunicaciones cuánticas que abarque la Tierra.

Los fotones, los cuantos de luz, son maravillosos portadores de información cuántica porque son fáciles de manipular y viajan extremadamente rápido. Pueden crearse en un estado cuántico deseado o como la salida de algún sensor cuántico o computadora cuántica. El entrelazamiento cuántico entre múltiples fotones, la correlación no clásica entre sus estados cuánticos, puede ser increíblemente útil en los protocolos de comunicaciones cuánticas, como la distribución de claves cuánticas (QKD), un enfoque de criptografía que teóricamente puede garantizar la seguridad absoluta de la información. Los esquemas QKD se han demostrado en distancias de unos pocos cientos de kilómetros, suficientes para cubrir las redes de comunicaciones entre ciudades. Pero aumentar su rango, eventualmente a escala global, es un desafío formidable.

Una barrera clave para las comunicaciones cuánticas de larga distancia está relacionada con las pérdidas, por absorción y dispersión, que sufre la luz que viaja a lo largo de las fibras ópticas oa través de la atmósfera. Mientras que en las comunicaciones clásicas los amplificadores ópticos pueden usarse como repetidores que compensan tales pérdidas, la amplificación de fotones individuales corrompe su información cuántica. Los investigadores están investigando varias tecnologías de repetidores cuánticos que podrían superar esta limitación, pero los repetidores cuánticos no estarán pronto listos para soportar las comunicaciones cuánticas intercontinentales. El único enfoque viable a corto plazo lo ofrece el canal óptico de espacio libre, que conecta los satélites de órbita terrestre baja con la Tierra. La ventaja de este enfoque es que la ruta de transmisión de los fotones, a excepción de la parte inferior ∼10 km de la atmósfera—está virtualmente en el vacío, con absorción y dispersión insignificantes. Un enlace satelital entre dos estaciones terrestres separadas por 1200 km (como en la demostración de Micius de 2017 [ 2 ]) es 15 órdenes de magnitud más eficiente en términos de pérdidas que un enlace de fibra óptica.

Sin embargo, transmitir luz desde un satélite a la Tierra tiene otros desafíos. Por ejemplo, los telescopios del satélite y los que están en tierra deben apuntar continuamente entre sí para optimizar la transmisión de la señal. Esta orientación puede verse complicada por las condiciones atmosféricas que desvían y distorsionan aleatoriamente los haces de luz. Además, el satélite y la estación terrestre deben sincronizar sus relojes para identificar los fotones de señal en función de los tiempos de llegada. Las soluciones a estos y otros problemas fueron demostradas por programas en China [ 3 , 4 ] e incorporadas en el diseño de Micius. Los programas en otros países (como la Demostración de comunicación láser lunar de la NASA) también demostraron soluciones a estos problemas.

Micius presenta varias capacidades integradas para comunicaciones cuánticas. Su instrumento principal es un interferómetro Sagnac, en el que los fotones de «bomba» se dividen en pares de fotones mediante un cristal no lineal. Los caminos de interferencia del interferómetro conducen al entrelazamiento de los estados de polarización de los dos fotones en cada par. El dispositivo puede emitir más de 5 millones de pares de fotones entrelazados por segundo, que se envían a estaciones en tierra.

Micius fue lanzado a una órbita de 500 km de altitud y, en coordinación con estaciones terrestres en diferentes continentes, llevó a cabo una serie de demostraciones notables. La misión logró rápidamente uno de sus objetivos clave: demostrar la distribución de enredos a larga distancia. En 2017, los experimentos demostraron que dos fotones de un par entrelazado podrían separarse y distribuirse en dos estaciones (Delingha y Lijiang, ambas en China) separadas por 1200 km mientras se preserva su entrelazamiento [ 2]. El resultado duplica con creces el récord de distancia logrado anteriormente con fibras ópticas. Solo 10 días después del lanzamiento, Micius demostró QKD entre el satélite y una estación terrestre cerca de Beijing, utilizando un protocolo conocido como señuelo-estado BB84, que utiliza, en lugar de fotones entrelazados, pulsos coherentes débiles. En una ventana de conexión de 273 s, el experimento compartió alrededor de 300 kilobits de clave aleatoria, una cantidad suficiente para intercambiar una clave de 256 bits estándar de la industria todos los días durante 3 años [ 5 ]. Usando ese sistema QKD, Micius distribuyó 100 kilobytes de claves seguras a estaciones terrestres en China y Austria, que se usaron para asegurar una videoconferencia de 75 minutos entre Beijing y Viena con claves de 128 bits, actualizando dichas claves cada segundo [ 6 ].

En la videoconferencia de 2017, la seguridad del protocolo se basó en la suposición de que Micius era un repetidor de confianza. Lograr QKD basado en enredos entre dos estaciones terrestres no requeriría esta suposición y era el próximo objetivo de Micius. Con varias mejoras del sistema, los investigadores pudieron lograr ese objetivo, habilitando QKD entre dos estaciones terrestres separadas por más de 1100 km, aunque con solo 6 bits de clave segura final por pase [ 7 , 8 ], suficiente para una demostración de tecnología, pero no para ninguna aplicación práctica. Se requerirán enlaces de mayor eficiencia y mayores tasas de generación de fotones entrelazados para un sistema viable de satélite a doble estación terrestre.

Como escriben Pan y sus compañeros de trabajo, «Micius marca solo el comienzo». Sus resultados motivan a los investigadores de todo el mundo a dar los siguientes pasos necesarios para habilitar verdaderamente una red cuántica global. Por ejemplo, el programa Micius operaba de noche para evitar el fondo del Sol. Con un mejor filtrado de fondo, la operación diurna aumentaría en gran medida las posibles oportunidades de enlace de satélite a tierra. Se necesita más trabajo para extender las operaciones al caso en el que diferentes partes de un experimento de teletransportación cuántica, como una configuración de medición del estado de Bell y la fuente de fotones entrelazados, se ubican en marcos de referencia que se mueven entre sí (estaciones terrestres). y satélites). Cuando los investigadores de Micius demostraron la teletransportación cuántica [ 9], localizaron todas las partes de los experimentos en tierra y enviaron el fotón ya teletransportado al satélite, donde se midió. La extensión a marcos móviles será vital para el funcionamiento de una red de repetidores cuánticos. Aún más lejos está la demostración de métodos de transmisión de información cuántica que son tolerantes a pérdidas y otros errores operativos. Finalmente, Micius es un satélite de órbita baja, pero se requerirán satélites de órbita alta para brindar una cobertura más amplia.

En última instancia, imaginamos que las redes de comunicaciones cuánticas globales incluirán una combinación de constelaciones de satélites cuánticos, que brindan conectividad intercontinental, y redes cuánticas de fibra, que conectan redes metropolitanas en tierra. Pero además de las aplicaciones tecnológicas, los satélites también podrían permitir interesantes pruebas fundamentales en la intersección de la física cuántica y la relatividad. Las velocidades, distancias y variaciones en la gravedad accesibles con experimentos espaciales permitirán a los investigadores probar cómo la gravedad afecta los fenómenos cuánticos, lo que podría allanar el camino hacia el desarrollo de una teoría de la gravedad cuántica [ 10 ].

Micius ha demostrado que el futuro es brillante para las aplicaciones fundamentales y prácticas de las comunicaciones cuánticas vía satélite (Fig. 2 ), y solo hemos comenzado a arañar la superficie de lo que es posible.

 

Referencias

CY Lu et al. , “Experimentos cuánticos de Micius en el espacio”, Rev. Mod. física 94 , 035001 (2022) .
  1. Yin et al. , «Distribución de entrelazamiento basada en satélites en 1200 kilómetros», Science 356 , 1140 (2017) .
  2. Yin et al. , «Teletransportación cuántica y distribución de enredos en canales de espacio libre de 100 kilómetros», Nature 488 , 185 (2012) .
JY Wang et al. , «Verificaciones experimentales directas y a gran escala de la distribución de claves cuánticas de satélites terrestres», Nat. Fotónica 7 , 387 (2013) .
SK Liao et al. , «Distribución de clave cuántica de satélite a tierra», Nature 549 , 43 (2017) .
SK Liao et al. , «Red cuántica intercontinental transmitida por satélite», Phys. Rev. Lett. 120 , 030501 (2018) .
  1. Yin et al. , «Criptografía cuántica segura basada en entrelazamiento de más de 1120 kilómetros», Nature 582 , 501 (2020) .
CC-W. Lim et al. , «Análisis de seguridad de la distribución de claves cuánticas con una longitud de bloque pequeña y su aplicación a las comunicaciones espaciales cuánticas», Phys. Rev. Lett. 126 , 100501 (2021) .
JG Ren et al. , «Teletransportación cuántica de tierra a satélite», Nature 549 , 70 (2017) .
  1. Rideout et al. , “Experimentos fundamentales de óptica cuántica concebibles con satélites, alcanzando distancias y velocidades relativistas”, Class. Gravedad Cuántica. 29 , 224011 (2012) .