Un nuevo estudio propone utilizar fuentes de fotón único basadas en satélites como medio de transmisión segura de información a través de grandes distancias. Esta investigación no sólo promete una comunicación inquebrantable, sino que también abre las puertas para investigar las leyes fundamentales de la mecánica cuántica y profundizar en los efectos cuánticos en la gravedad.
“El resultado más significativo de este trabajo “Es una arquitectura cuántica universal que utiliza una fuente compacta de fotón único verdadero para redes cuánticas basadas en satélites”, dijo Tobias Vogl, profesor de ingeniería de sistemas de comunicación cuántica en la Universidad Friedrich Schiller en Alemania y autor principal del estudio, en un correo electrónico. “Si bien este diseño demuestra la capacidad de nuestra fuente de fotones para emitir fotones individuales en el espacio, también nos permite probar un postulado fundamental de la mecánica cuántica”.
La mecánica cuántica permite una comunicación segura
En el ámbito de las ciencias de la comunicación, la distribución de claves cuánticas es una frontera que avanza rápidamente. Permite la transmisión de una clave de cifrado entre dos partes de forma resistente a las escuchas.
“Para la distribución de claves cuánticas, se codifica la información en [quantum states of single photons]”, explicó Vogl. “Las leyes de la física cuántica establecen que es imposible copiar este único fotón, y también imposible leer la información sin cambiarla, lo que hace que cualquier escucha sea mensurable”.
Para que este método de cifrado sea eficaz, es imperativo que los fotones que transportan información se emitan uno a la vez. Si se emiten simultáneamente varios fotones en el mismo estado, la interceptación por parte de un espía podría pasar desapercibida y comprometer la seguridad. Pero crear un fotón único que sea distinto de una fuente de luz coherente plantea un desafío formidable debido a la naturaleza fundamental de la luz y las limitaciones de la mecánica cuántica.
Para lograrlo se utilizan muchas tecnologías avanzadas, incluidos puntos cuánticos y átomos individuales. Pero Vogl apunta a un material conocido como nitruro de boro, que emite fotones individuales debido a la presencia de defectos en su estructura; estos sirven como emisores cuánticos localizados cuando se manipulan y excitan adecuadamente.
“El nitruro de boro hexagonal es un material bidimensional compuesto de nitrógeno y boro”, afirmó Vogl. “La estructura prístina es un aislante ordinario sin emisión de luz (visible); sin embargo, su estructura con un defecto probablemente pueda emitir un fotón a la vez. Esto se debe al defecto que introduce niveles de energía adicionales en la estructura electrónica del cristal, que solo puede excitarse una vez y, por lo tanto, solo emite un fotón a la vez”.
Satélites al rescate
Sin embargo, incluso con una fuente robusta de fotón único como el nitruro de boro, transmitir fotones individuales a largas distancias utilizando dispositivos terrestres es un desafío.
“El hecho de que ningún espía no pueda copiar el sistema cuántico [photon] Los estados también implican que no podemos copiar los estados cuánticos”, explicó. “Esto significa que no podemos amplificar la señal si se transmite a largas distancias, lo que conlleva una gran atenuación de la señal. En las fibras ópticas, por ejemplo, las pérdidas aumentan exponencialmente con la distancia”.
Para solucionar este problema, Vogl y su equipo proponen desplegar fuentes de fotones individuales en satélites.
“La atmósfera se vuelve tan delgada por encima de los 10 kilómetros de altitud que ya no hay pérdidas significativas”, dijo Vogl. “Por lo tanto, utilizando satélites podemos transmitir estados de fotón único a distancias mucho más largas. En última instancia, el objetivo es lograr una Internet cuántica global”.
El equipo está trabajando actualmente en la misión espacial QUICK3, cuyo objetivo es validar el hardware necesario para desarrollar en el futuro una red cuántica funcional basada en satélites.
“QUICK3 significa QUantum photonIsChe Komponenten für sichere Kommunikation mit Kleinsatelliten (componentes fotónicos cuánticos para comunicación segura con satélites pequeños)”, dijo Vogl. “Su objetivo es desarrollar el hardware necesario para un enlace cuántico basado en satélites. La carga útil consta de un sistema láser de excitación, una fuente de fotón único basada en un defecto fluorescente en el material 2D nitruro de boro hexagonal, un interferómetro cuántico y detectores de fotón único”.
“Después de integrar todos los componentes en un satélite pequeño, nuestra misión QUICK3 evaluará su funcionalidad en el espacio en un CubeSat 3U (un satélite pequeño con aproximadamente 3,5 litros de volumen)”, continuó. “Una constelación de satélites equipados con el hardware desarrollado en la misión QUICK³ podría utilizarse como columna vertebral de una Internet cuántica. El lanzamiento estaba inicialmente previsto para 2024, pero ahora se ha retrasado hasta 2025”.
Si bien se espera que la misión QUICK3 proporcione datos valiosos, el hardware que se probará no se podrá implementar de inmediato para una comunicación cuántica real. Por ejemplo, el detector de fotón único se alojará dentro del satélite en lugar de en tierra, lo que es necesario para la red cuántica real.
Para realizar comunicaciones cuánticas basadas en satélites, se deben abordar las limitaciones de los equipos existentes. Por ejemplo, la fuente de fotones debe ser más potente y direccional.
“Nuestra misión es principalmente demostrar tecnología y probar componentes”, explicó Vogl. “El satélite aún no puede establecer un enlace real de distribución de claves cuánticas. Después de una misión exitosa, planeamos una misión de seguimiento que demuestre la distribución de claves cuánticas entre el satélite y una estación terrestre utilizando nuestros componentes”.
“Actualmente estamos construyendo una red cuántica local en la Universidad Técnica de Múnich, que se limita esencialmente al área metropolitana de Múnich”, añadió. “Ahora mismo se están estableciendo redes similares en todo el mundo, por ejemplo en otras ciudades de Alemania, Singapur, China, EE.UU., Canadá y el Reino Unido, por nombrar sólo algunas. Con nuestro satélite podríamos conectar nuestra red local a otras redes locales y marcar un hito hacia la Internet cuántica”.
Sondeando los fundamentos de la mecánica cuántica
Más allá de facilitar una comunicación segura, QUICK3 ofrece una oportunidad única para investigar los principios fundamentales de la mecánica cuántica mediante el estudio de procesos que involucran la emisión, propagación y detección de fotones individuales en el espacio mientras los compara con las condiciones de la Tierra.
Estos estudios también pueden aportar información importante sobre los misterios de la gravedad cuántica, que hasta ahora han sido difíciles de estudiar debido a la interacción muy débil de las partículas elementales con los campos gravitacionales.
“Uno de los santos griales de la física es la combinación de gravedad y física cuántica, que hasta ahora ha resultado difícil”, concluyó Vogl. “Algunos de estos intentos de teorías de la gravedad cuántica predicen modificaciones a nuestra teoría cuántica estándar. Básicamente, esto es lo que estamos probando mediante un experimento doble en la Tierra y en el satélite utilizando un interferómetro cuántico. Si hay un acoplamiento debido a un campo gravitacional, nuestros experimentos lo revelarán”.
Referencias: En particular Ahmadi, et al, QUICK3 – Diseño de una fuente de luz cuántica basada en satélites para comunicación cuántica y pruebas de teoría física extendida en el espacio, Tecnologías cuánticas avanzadas (2024). DOI: 10.1002/qute.202300343
Crédito de la imagen destacada: geralt en Pixabay
2024-02-15 08:09:22
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