China está preparada para lanzar el primer satélite del mundo diseñado para realizar experimentos cuánticos. Es probable que siga una flota de naves habilitadas cuánticamente.
En primer lugar, podría haber más satélites chinos, que juntos crearán una red de comunicaciones súper segura, que potencialmente vinculará a las personas en cualquier parte del mundo. Pero grupos de Canadá, Japón, Italia y Singapur también tienen planes para experimentos en el espacio cuántico.
“Definitivamente, creo que habrá una carrera”, dice Chaoyang Lu, físico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei, que trabaja con el equipo detrás del satélite chino. La nave de 600 kilogramos, la última de una serie de satélites de ciencia espacial chinos, se lanzará desde el Centro de Lanzamiento de Satélites Jiuquan en agosto. La Academia de Ciencias de China y la Academia de Ciencias de Austria son colaboradores en la misión de US $ 100 millones.
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Las comunicaciones cuánticas son seguras porque cualquier modificación con ellas es detectable. Dos partes pueden comunicarse en secreto, compartiendo una clave de cifrado codificada en la polarización de una cadena de fotones, digamos, a sabiendas de que cualquier espionaje dejaría su huella.
Hasta ahora, los científicos han logrado demostrar la comunicación cuántica hasta unos 300 kilómetros. Los fotones que viajan a través de las fibras ópticas y el aire se dispersan o absorben, y amplificar una señal mientras se preserva el frágil estado cuántico de un fotón es extremadamente difícil. Los investigadores chinos esperan que la transmisión de fotones a través del espacio, donde viajan más suavemente, les permita comunicarse a grandes distancias.
En el corazón de su satélite hay un cristal que produce pares de fotones enredados, cuyas propiedades permanecen entrelazadas por muy separadas que estén. La primera tarea de la nave será despedir a los socios de estos pares a las estaciones de tierra en Beijing y Viena, y usarlos para generar una clave secreta.
Durante la misión de dos años, el equipo también planea realizar una medición estadística conocida como prueba de Bell para demostrar que puede existir un enredo entre partículas separadas por una distancia de 1.200 kilómetros. Aunque la teoría cuántica predice que el enredo persiste a cualquier distancia, una prueba de Bell lo probaría.
El equipo también intentará ‘teletransportar’ estados cuánticos, utilizando un par de fotones enredados junto con información transmitida por medios más convencionales para reconstruir el estado cuántico de un fotón en una nueva ubicación.
“Si el primer satélite funciona bien, China definitivamente lanzará más”, dice Lu. Se necesitarán unos 20 satélites para permitir comunicaciones seguras en todo el mundo, agrega.
Los equipos de fuera de China están tomando un rumbo diferente. Una colaboración entre la Universidad Nacional de Singapur (NUS) y la Universidad de Strathclyde, Reino Unido, está utilizando satélites baratos de 5 kilogramos conocidos como cubesats para realizar experimentos cuánticos. El año pasado, el equipo lanzó un cubesat que creó y midió pares de fotones ‘correlacionados’ en órbita; el próximo año, espera lanzar un dispositivo que produzca pares completamente entrelazados.
Con un costo de solo $ 100,000 cada uno, los cubesats hacen que las comunicaciones cuánticas basadas en el espacio sean accesibles, dice el físico de NUS Alexander Ling, quien lidera el proyecto.
Un equipo canadiense propone generar pares de fotones enredados en el suelo y luego disparar algunos de ellos a un microsatélite que pesa menos de 30 kilogramos. Esto sería más barato que generar los fotones en el espacio, dice Brendon Higgins, físico de la Universidad de Waterloo, que forma parte del equipo canadiense de Satélite de Encriptación Cuántica y Ciencia (QEYSSat). Pero entregar los fotones al satélite en movimiento sería un desafío. El equipo planea probar el sistema usando un receptor de fotones en un avión primero.
Un enfoque aún más simple de la ciencia espacial cuántica, promovido por un equipo de la Universidad de Padua en Italia dirigido por Paolo Villoresi, implica agregar reflectores y otros equipos simples a los satélites regulares. El año pasado, el equipo demostró que los fotones rebotaron en la Tierra desde un satélite existente, mantuvieron sus estados cuánticos y fueron recibidos con tasas de error lo suficientemente bajas para la criptografía cuántica (G. Vallone et al. Phys. Rev. Lett. 115, 040502; 2015) . En principio, dicen los investigadores, el método podría usarse para generar claves secretas, aunque a un ritmo más lento que en configuraciones más complejas.
Los investigadores también han propuesto un experimento cuántico a bordo de la Estación Espacial Internacional (EEI) que simultáneamente desenredaría los estados de dos propiedades separadas de un fotón, una técnica conocida como hiperengulación, para hacer que la teletransportación sea más confiable y eficiente.
Además de hacer que las comunicaciones sean mucho más seguras, estos sistemas satelitales marcarían un paso importante hacia una ‘internet cuántica’ compuesta por computadoras cuánticas en todo el mundo, o una nube de computación cuántica, dice Paul Kwiat, físico de la Universidad de Illinois en Urbana – Champaign que está trabajando con la NASA en el proyecto ISS.
Es probable que la Internet cuántica implique una combinación de enlaces satelitales y terrestres, dice Anton Zeilinger, físico de la Academia de Ciencias de Austria en Viena, quien abogó sin éxito por un satélite cuántico europeo antes de unir fuerzas con el equipo chino. Y quedan algunos desafíos. Los físicos, por ejemplo, necesitarán encontrar formas para que los satélites se comuniquen entre sí directamente; para perfeccionar el arte de enredar fotones que provienen de diferentes fuentes; y para aumentar la velocidad de transmisión de datos utilizando fotones individuales de megabits a gigabits por segundo.
Si el equipo chino tiene éxito, otros grupos deberían encontrar más fácil obtener fondos para satélites cuánticos, dice Zeilinger. Estados Unidos tiene un perfil relativamente bajo cuando se trata de esta carrera espacial en particular, pero Zeilinger sugiere que podría estar haciendo más trabajo sobre el tema que está clasificado.
Finalmente, la teletransportación cuántica en el espacio podría incluso permitir a los investigadores combinar fotones de satélites para hacer un telescopio distribuido con una apertura efectiva del tamaño de la Tierra, y una resolución enorme. “No solo se podían ver planetas”, dice Kwiat, “sino que, en principio, se leen las matrículas en las lunas de Júpiter”.
El satélite chino es un gran paso para la Internet cuántica
