Tecnologías cuánticas

La primera red trasatlántica de comunicación cuántica puede estar disponible en 2025

El satélite HyperSpace unirá estaciones terrestres cuánticas de Europa y Canadá, separadas entre sí por más de 6.000 kilómetros

La primera red cuántica trasatlántica está a la vuelta de la esquina, por una alianza entre Europa y Canadá.

La primera red cuántica trasatlántica está a la vuelta de la esquina, por una alianza entre Europa y Canadá. / ÖAW/Harald Ritsch

EDUARDO MARTÍNEZ DE LA FE

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Europa y Canadá están trabajando en la implantación de la primera red trasatlántica para la comunicación cuántica a través de un satélite llamado HyperSpace, que comunicará estaciones cuánticas de ambos continentes separadas entre sí por más de 6.000 kilómetros. Esta red superará la tecnología de China para la distribución cuántica de claves que asegura la inviolabilidad del sistema.

Un total de ocho socios de Europa y Canadá están desarrollando el proyecto

HyperSpace

, que establecerá en 2025 la primera red trasatlántica para la comunicación cuántica, si se superan los desafíos tecnológicos por resolver.

Se trata de un salto tecnológico considerable porque hasta ahora la comunicación cuántica no había llegado tan lejos: Hyperspace se propone implementar un satélite cuántico que orbita muy por encima de la Tierra para conectar Canadá y Europa a través de un enlace seguro de comunicación basado en el entrelazamiento cuántico.

El objetivo es demostrar la viabilidad de este enlace satelital cuántico y transatlántico para distribuir fotones entrelazados de múltiples maneras entre estaciones terrestres cuánticas ubicadas en Canadá y Europa, separadas entre sí por más de 6.000 kilómetros.

Para conseguirlo, los equipos necesitan evaluar qué tecnologías se necesitan, qué protocolos de transmisión son necesarios, a qué altitud debe volar un satélite para vigilar las estaciones terrestres en Canadá y Europa; qué tan buena es la calidad de transmisión para esta órbita; si un satélite es suficiente; qué tamaño debe tener; cuánto tiempo de transmisión se ha promediado durante un año, en cuántos y en qué dimensiones se deben enredar los fotones, explican los expertos.

Diagrama conceptual de satélite cuántico para conectar Canadá y Europa, así como áreas de investigación relacionadas que se exploran en el proyecto HyperSpace.

Diagrama conceptual de satélite cuántico para conectar Canadá y Europa, así como áreas de investigación relacionadas que se exploran en el proyecto HyperSpace. / IQC.

Información segura a larga distancia

Tan pronto como se altera una propiedad de una de las dos partículas de luz, como su dirección de oscilación (polarización), la propiedad correspondiente de la segunda partícula se altera al mismo tiempo.

Esta propiedad de las partículas elementales permite generar la misma información en dos lugares al mismo tiempo, con una novedad insólita en el mundo de las telecomunicaciones: las leyes de la física cuántica garantizan que nadie pueda espiar esta información.

Para que estas comunicaciones sean seguras, la información se cifra utilizando una clave que permite que sólo los participantes que la conocen sean capaces de descifrar los mensajes intercambiados entre ellos. Esa clave se envía mediante un sistema cuántico conocido como Distribución Cuántica de Claves (QKD): es un método de comunicación criptográfica que permite a dos partes generar una "clave secreta" compartida que luego puede usarse para cifrar y descifrar mensajes compartidos.

A través de satélites

Hasta ahora, la QKD ha sido testada y comprobada en distancias cortas, pero salvar distancias más grandes, lo cual es necesario para una red global, es difícil porque el entrelazamiento es muy sensible a las influencias externas (como la luz solar, la cobertura de nubes, la atmósfera, la turbulencia y las distorsiones) y por ello se pierden fotones por el trayecto. Hay que conseguir que los pocos fotones que lleguen al destino sean útiles. Por esta razón, se están haciendo intentos para implementar QKD a través de satélites.

La ventaja de los satélites es que pueden conectar enlaces cuánticos separados por miles de kilómetros, algo que China ya comprobó en 2017 con un sonado experimento:

transmitió

pares de fotones entrelazados desde el espacio hasta dos estaciones terrestres separadas entre sí por 1.200 kilómetros.

Se valió de un satélite cuántico (Micius), situado a 500 kilómetros sobre la superficie terrestre, que ahora sirve de referencia para el proyecto HyperSpace.  China es líder hoy en esta tecnología y ha lanzado más satélites QKD.

Entrelazamiento complejo

Investigaciones posteriores han establecido además que el entrelazamiento cuántico se vuelve más robusto frente a las perturbaciones externas si las partículas están conectadas en varias dimensiones, es decir, no solo a través de la polarización, sino también a través de otras propiedades de los fotones como la frecuencia de su energía o el dominio temporal de las parejas de partículas de luz.

Una investigación de la Universidad Tecnológica de Viena y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria, demostró este año la robustez de ese entrelazamiento complejo o hiperenredo.

Con la ayuda de pares de fotones entrelazados multidimensionales, esta investigación transmitió una clave cuántica a través del aire a una distancia de más de diez kilómetros sobre los tejados de Viena a plena luz del día, tal como informó en un

artículo

publicado en la revista Physical Review X.

Y aunque se ha verificado que ese entrelazamiento complejo permite la comunicación cuántica incluso en condiciones adversas, todavía se hace necesario diseñar, probar y adecuar fuentes aún mejores para su uso en el espacio. Ese es uno de los objetivos de HyperSpace.

Nuevo nivel cuántico

HyperSpace se concibe como un nodo de doble enlace con dos telescopios independientes a bordo del satélite. Este enlace dual permite la distribución de fotones entrelazados simultáneamente entre estaciones terrestres cuánticas muy separadas, explica la Universidad de Waterloo en un

comunicado

.

Este proyecto permitirá llevar la investigación de la comunicación cuántica a un nivel completamente nuevo y resolver desafíos tecnológicos todavía pendientes cuyos resultados beneficiarán a la sociedad, según sus protagonistas.

Del lado europeo están implicados en HyperSpace el Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión IOF (Alemania), la Università degli Studi di Pavia y la Università degli Studi di Padova (ambas en Italia), el Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives CEA-LETI (en Francia), y la Universidad Tecnológica de Viena (Austria).

Por parte de Canadá participan el Instituto Nacional de Investigaciones Científicas (INRS), la Universidad de Toronto y la Universidad de Waterloo.

Alianza euro-canadiense

Este proyecto forma parte de una iniciativa de financiación más amplia de tres proyectos de investigación e innovación, suscritos entre la UE y Canadá para apoyar la investigación fundamental en tecnologías cuánticas.

Los tres proyectos comparten subvenciones por un valor total de unos 4 millones de euros de la UE y casi 5 millones de dólares del Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC). Hyperspace, que es uno de esos tres proyectos, está financiado tanto por la UE (dentro del programa Horizon Europe) como por NSERC, con un total de 2,8 millones de euros.