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MS Tech / Fuente: NASA

Computación

El espacio podría ser el mejor hogar para el internet cuántico del futuro

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Necesitamos nuevas formas de comunicarnos de forma segura. Esta investigación ha comparado las ventajas e inconvenientes de distintos diseños para crear un internet cuántico global y concluye que el mejor enfoque consistiría en una constelación de 400 satélites a 3.000 kilómetros de altitud 

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Ana Milutinovic
  • 09 Enero, 2020

El internet cuántico es un sueño con el que muchos tecnólogos han empezado a fantasear en los últimos años. La idea consiste en aprovechar las extrañas propiedades cuánticas de los fotones y electrones para enviar mensajes imposibles de hackear.

La tecnología tiene una utilidad clara para gobiernos y ejércitos, pero también resulta cada vez más interesante para los bancos y otros operadores comerciales que necesitan asegurar desde contratos hasta transacciones financieras. Además, algún día, los ordenadores cuánticos podrán descifrar la criptografía que se usa actualmente para mantener la privacidad de muchos mensajes. Este fenómeno también nos obliga a buscar canales de comunicación que puedan resistir a estas máquinas.

Todo esto plantea una pregunta interesante: ¿cómo los científicos e ingenieros deberían llevar a cabo la tarea de crear ese internet cuántico que se extienda en todo el mundo?

Una respuesta a esa pregunta se encuentra en el trabajo del investigador de la Universidad Estatal de Louisiana en Baton Rouge (EE. UU.) Sumeet Khatri y sus colegas. Este equipo ha estudiado las diversas formas en las que se podría crear el internet cuántico y afirma que el enfoque más rentable sería crear una constelación de satélites habilitados para la física cuántica y capaces de transmitir continuamente los fotones entrelazados en el suelo. En otras palabras, el internet cuántico debería estar en el espacio.

Primero algunos antecedentes. En el corazón de cualquier red cuántica se encuentra la extraña propiedad del entrelazamiento. Se trata del fenómeno en el que dos partículas cuánticas comparten la misma existencia, incluso aunque se encuentren a grandes distancias. Esta propiedad implica que la medición de una de estas partículas influye inmediatamente en la otra, una maravilla que Einstein describió como "una espeluznante acción a distancia".

Los físicos generalmente expanden los entrelazamientos mediante pares de fotones creados en el mismo lugar y momento. Cuando los fotones se envían a diferentes ubicaciones, el entrelazamiento que los une se puede usar para enviar mensajes seguros.

El problema consiste en que dicho entrelazamiento es frágil y difícil de mantener. Cualquier pequeña interacción entre uno de los fotones y su entorno destruye el enlace. De hecho, esto es exactamente lo que ocurre cuando los físicos transmiten fotones entrelazados directamente a través de la atmósfera o de fibra óptica. Los fotones interactúan con otros átomos y el entrelazamiento se destruye. Resulta que la distancia máxima sobre la cual es posible compartir el entrelazamiento de esta manera es de unos pocos cientos de kilómetros.

Entonces, ¿cómo construir un internet cuántico capaz de compartir entrelazamientos por todo el mundo? Una opción es utilizar "repetidores cuánticos", dispositivos que miden las propiedades cuánticas de los fotones a medida que llegan y luego transfieren estas propiedades a los nuevos fotones que se envían. Esto preserva el entrelazamiento, que salta de un repetidor al siguiente. Sin embargo, esta tecnología es demasiado experimental y le faltan varios años para poder ser usada al nivel comercial.

Otra opción consistiría en crear los pares de fotones entrelazados en el espacio y transmitirlos a dos estaciones base diferentes en la tierra. Entonces, estas estaciones base se entrelazan y permiten intercambiar mensajes manteniendo los mensajes en secreto.

En 2017, un satélite chino denominado Micius demostró por primera vez que este enfoque es posible. Resulta que los fotones son capaces de viajar mucho más lejos en este escenario porque solo los últimos 20 kilómetros más o menos del viaje atraviesan la atmósfera, siempre que el satélite esté suficientemente alto en el cielo y no demasiado cerca del horizonte.

Khatri y su equipo asegura que una constelación de satélites similares sería una forma mucho mejor de crear el internet cuántico global. La clave es que para comunicarse de forma segura, dos estaciones terrestres deben ver el mismo satélite al mismo tiempo para que ambas puedan recibir fotones entrelazados de él.

¿A qué altitud deberían volar los satélites para proporcionar una cobertura lo más amplia posible? ¿Y cuántos de ellos se necesitarían? "Dado que los satélites son un recurso costoso actualmente, nos gustaría tener la menor cantidad posible de satélites en la red y al mismo tiempo mantener una cobertura completa y continua", explica Khatri.

Para averiguar la cifra exacta, el equipo modeló dicha constelación. Resulta que hay una serie de puntos importantes a tener en cuenta. Por ejemplo, un número menor de satélites podría proporcionar una cobertura global si las máquinas orbitan a gran altitud. Pero altitudes más altas conducen a mayores pérdidas de fotones. Además, los satélites a altitudes más bajas solo pueden abarcar distancias más cortas entre las estaciones base, porque ambas deben poder ver el mismo satélite al mismo tiempo.

Dadas estas limitaciones, Khatri y sus compañeros sugieren que la mejor opción sería una constelación de al menos 400 satélites a una altitud de alrededor de 3.000 kilómetros. En comparación, el GPS funciona con tan solo 24 satélites.

En ese escenario, la distancia máxima entre las estaciones base se limitaría a unos 7.500 kilómetros. Esto significa que dicho sistema podría admitir mensajes seguros entre Londres (Reino Unido) y Mumbai (India), separadas por 7.200 kilómetros. Pero no entre Londres y Houston (EE. UU.), separadas por 7.800 kilómetros, o entre otras ciudades más alejadas. Esto supone un importante inconveniente.

Sin embargo, el internet cuántico con base en el espacio supera significativamente a los sistemas terrestres de repetidores cuánticos, según Khatri y su equipo. Los repetidores tendrían que estar colocados a unos intervalos inferiores a 200 kilómetros, así que, para cubrir largas distancias, haría falta un gran número de ellos. Esto muestra otros conjuntos de limitaciones para el internet cuántico terrestre. "Por lo tanto, se demuestra que los satélites ofrecen una importante ventaja sobre la distribución de entrelazamientos en tierra", afirman Khatri y sus compañeros.

Por supuesto, ese tipo de sistema requeriría una gran inversión. China tiene una ventaja obvia, puesto que ya ha probado un satélite en órbita con este tipo de tecnología. Y planea seguir avanzando este campo.

En cambio, Europa y Estados Unidos parecen estar menos interesados en esta tecnología. Pero eso podría cambiar rápidamente si logra demostrar su valía. La carrera espacial cuántica podría estar a punto de arrancar.

Ref: arxiv.org/abs/1912.06678Spooky Action at a Global Distance – Resource-Rate Analysis of a Space-Based Entanglement-Distribution Network for the Quantum Internet

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