Tecnologías cuánticas

Primeros pasos para una red cuántica global en la nube

La Estación Espacial Internacional probará comunicaciones cuánticas a través del espacio

Primeros pasos para una red cuántica global en la nube
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JPL/T21

La Estación Espacial Internacional inicia este año un experimento para posibilitar la comunicación cuántica global a través de nodos espaciales que conectan transmisores y receptores cuánticos en tierra, separados entre sí por grandes distancias.

La NASA tiene previsto desarrollar a finales de este año un experimento en la Estación Espacial Internacional que podría permitir en el futuro la puesta en marcha de una red cuántica global.

El experimento, denominado Experimento Cuántico de Entrelazamiento y Recocido Espacial (o SEAQUE), probará en el duro entorno del espacio dos tecnologías que eventualmente podrían permitir que los ordenadores cuánticos se comuniquen entre sí sin importar dónde se encuentren. Esas tecnologías, como su nombre indica, son el entrelazamiento y el recocido cuánticos.

El entrelazamiento cuántico se refiere a una característica fundamental de los sistemas mecánico-cuánticos: en ese estado, pares de fotones quedan tan íntimamente conectados, que la medición de uno afecta inmediatamente los resultados de la medición del otro, incluso cuando están separados por una gran distancia.

El recocido cuántico es un tipo de computación cuántica que se utiliza principalmente para solucionar problemas de optimización de procesos, como encontrar la mejor solución entre todas las posibles. En este caso se emplea para asegurar las comunicaciones cuánticas de calidad a través del espacio.

Nodos espaciales

Los ordenadores cuánticos pueden operar millones de veces más rápido que los ordenadores convencionales, y los sensores cuánticos distribuidos, que utilizan efectos cuánticos avanzados para alcanzar niveles ultra elevados de sensibilidad,  pueden conducir a una nueva comprensión de la Tierra y nuestro lugar en el universo, al medir cambios diminutos en la gravedad.

Pero, para que las computadoras o los sensores cuánticos se comuniquen, necesitan una red de comunicaciones especializada.

Un componente clave de esta red tan singular serán los "nodos" espaciales, que pueden recibir y transmitir datos cuánticos hacia y desde el suelo a través de comunicaciones ópticas en el espacio libre.

El experimento previsto se propone demostrar la viabilidad de las tecnologías que podrían permitir que los nodos en órbita conecten de forma segura transmisores y receptores cuánticos a grandes distancias.

Producción cuántica en el espacio

Para conseguirlo, estos nodos necesitarán producir y detectar pares de fotones entrelazados. La transmisión de dichos fotones a ordenadores cuánticos en tierra podría proporcionar la base para la computación cuántica en la nube: los medios necesarios para intercambiar y procesar datos cuánticos, independientemente de dónde se encuentren los ordenadores.

La fuente de fotones entrelazados de SEAQUE divide los fotones de alta energía en pares de fotones "hijos" entrelazados. A continuación, se cuentan esos fotones hijos y los detectores internos del instrumento miden sus propiedades cuánticas.

SEAQUE se basa en una fuente integrada de fotones enredados que utiliza una guía de ondas, una novedad para las naves espaciales.

Una guía de ondas es una estructura microscópica que actúa como una autopista para fotones, dirigiendo su transmisión con poca pérdida del estado cuántico.

Será la primera vez que se experimenta con una fuente de entrelazamiento cuántico completamente nueva, mucho más pequeña, robusta y eficiente en la producción de fotones entrelazados que la desarrollada en otros experimentos espaciales, según sus creadores.

Curación de la radiación con láser

La confiabilidad de la demostración de tecnología podría recibir otro impulso si SEAQUE demuestra que también puede reparar el daño infligido por la radiación.

Una vez conectado al exterior de la estación espacial, el experimento también probará una técnica para ayudar a los nodos basados en el espacio a "autocurarse" del daño por radiación, un desafío continuo de mantener instrumentos delicados en el espacio.

Los nodos de comunicaciones cuánticas requerirán sensores altamente sensibles para recibir las señales cuánticas de un solo fotón procedente de la superficie de la Tierra.

A medida que las partículas de alta energía, o radiación, del espacio golpeen los detectores de los nodos, crearán defectos con el tiempo. Estos defectos pueden crear un ruido que eventualmente superará cualquier señal cuántica del suelo.

Si no se controla este ruido, la radiación espacial acabará por degradar tanto estos detectores y será necesario reemplazarlos con regularidad, lo que impedirá la viabilidad de una red global de comunicaciones cuánticas.

Si bien la detección de señales de la Tierra está más allá del alcance de esta demostración de tecnología, SEAQUE utilizará su conjunto de detectores para contar los fotones generados por su fuente de entrelazamiento.

Y utilizará un láser brillante para reparar periódicamente el daño inducido por la radiación, que afectará a la matriz de detectores, otra primicia tecnológica.

Colaboración internacional

Al igual que la red que pretende habilitar, este proyecto, aunque financiado por la NASA, es global. La colaboración incluye científicos y estudiantes de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, que lideran el proyecto; la Universidad de Waterloo en Ontario, Canadá; la Universidad Nacional de Singapur; el socio industrial con sede en Montana AdvR, Inc.; Nanoracks, proveedor de sistemas espaciales comerciales con sede en Texas; y el Jet Propulsion Laboratory (JPL), del Instituto Tecnológico de California (Caltech).

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