Los investigadores y la industria miran cada vez más las perspectivas de redes de comunicaciones globales que aprovecharían la seguridad proporcionada por la tecnología cuántica. Un inconveniente, sin embargo, ha sido la falta de “repetidores cuánticos” escalables similares a los que mantienen vivas las señales ópticas en las redes de fibra clásicas de larga distancia.

Como alternativa, algunos grupos de investigación están estudiando las comunicaciones cuánticas basadas en satélites, donde la información cuántica se transmite mediante rayos láser entre naves espaciales en órbita terrestre baja (LEO). Sin embargo, incluso las cartas de satélite tienen sus inconvenientes. La pérdida de fotones en los láseres que se dispersan, combinada con la curvatura de la propia Tierra, probablemente limita las distancias realistas de enlaces cuánticos altamente eficientes entre satélites LEO a menos de 2.000 kilómetros.

Ahora, los investigadores Sumit Goswami de la Universidad de Calgary, Canadá, y Sayandeep Dara de la Universidad de Florida Central, EE. UU., han desarrollado una propuesta que muestra cómo se podrían superar estos obstáculos (Phys. Rev. Appl., doi: 10.1103/PhysRevApplied.20.024048). Su propuesta implica transmitir señales cuánticas precisas a través de una serie de satélites que se mueven sincrónicamente y relativamente espaciados. Ambos sugieren que estos satélites podrían funcionar eficazmente “como un conjunto de lentes sobre una mesa óptica”, enfocando y curvando los rayos a lo largo de la curvatura de la Tierra y evitando la pérdida de fotones en distancias de hasta 20.000 km, sin necesidad de repetidores cuánticos.

Todo esta hecho con espejos.

Si bien Goswami y Dara se refieren en sentido figurado a los nodos de la red cuántica de todos los satélites (ASQN) propuesta como lentes de satélite, la magia óptica en realidad ocurre con los espejos, para mantener las pérdidas de fotones asociadas con la absorción al mínimo absoluto. En términos simples, un satélite particular de la cadena envía un rayo de luz a la siguiente luna, quizás a 120 kilómetros de distancia. El siguiente satélite recoge el haz, lo reenfoca utilizando un espejo receptor y lo hace rebotar desde dos pequeños espejos hasta un espejo transmisor final, que transmite la señal al siguiente satélite de la cadena.

Según su propuesta, dicen los investigadores, los satélites convergentes actúan efectivamente “como un conjunto de lentes sobre una mesa óptica”, enfocando y doblando los haces a lo largo de la curvatura de la Tierra y evitando la pérdida de fotones debido a la difracción.

En su modelo, Goswami y Dara consideran una serie de satélites, cada uno a 120 kilómetros de distancia; Dada la desviación esperada del haz en la órbita terrestre, esto significa que el diámetro del telescopio es de 60 cm para cada satélite. El modelado del equipo indica que esta configuración de retransmisión, que utiliza haces de vórtice para pasar la señal cuántica de un satélite a otro, prácticamente eliminaría la pérdida por difracción en distancias de hasta 20.000 km.

Otra gestión de pérdidas

En lo que respecta a la pérdida por difracción, Goswami y Dara examinaron sistemáticamente otras posibles fuentes de pérdida en el sistema de lentes del satélite. Un problema obvio es la pérdida de reflexión de algunos fotones en los propios espejos, que los dos creen que puede controlarse mediante una combinación de grandes espejos metálicos y pequeños espejos de Bragg superreflectantes. Otra fuente de pérdidas radica en los errores de seguimiento y posicionamiento de los satélites de la cadena; Estos contratiempos deben minimizarse para mantener los satélites sincronizados entre sí.

La fuente final de pérdidas no tiene nada que ver con los satélites. Dependiendo de la arquitectura de las comunicaciones cuánticas, la información cuántica debe transmitirse hacia y desde estaciones en la superficie de la Tierra. Para las señales ópticas del espacio libre, esto abre la posibilidad de pérdida de datos debido a la turbulencia atmosférica, que puede aumentar considerablemente el tamaño y la dispersión del haz.

Las perturbaciones resultan ser un problema mucho mayor para los datos en el enlace ascendente (de la Tierra al satélite) que en el enlace descendente (del satélite a la Tierra). Esto se debe a que en el enlace ascendente, la perturbación hace su trabajo sucio al principio de la cadena de comunicación, no al final de ella; De este modo, la divergencia y fragmentación del haz causada por las perturbaciones se amplifica a lo largo de la gran distancia de propagación de la red de satélite en su conjunto.

Fibra superior: sin duplicados

Teniendo en cuenta todas estas fuentes de pérdida (y algunas otras), Goswami y Dara simularon numéricamente cómo una serie de lentes de satélite de retransmisión transmitirían información cuántica en dos escenarios. Uno es algo llamado distribución de entrelazamiento, un protocolo demostrado por investigadores en China en el satélite MESUS, en el que los fotones en el espacio se entrelazan y se envían en diferentes direcciones a través de las lentes del satélite, para eventualmente transmitirse a estaciones muy separadas en la Tierra y probarse en cuanto a cuántica. seguridad.

El otro es el protocolo más simple de “transferencia de bits cuánticos”, en el que los qubits simplemente se envían desde una estación terrestre al primer satélite, se transmiten a lo largo de la cadena y finalmente se transmiten a una segunda estación terrestre más distante. Un sistema de este tipo requeriría un tipo diferente de diseño óptico para contrarrestar el impacto de las perturbaciones en el enlace ascendente del satélite. Goswami y Dara creen que este enfoque puede tener ciertas ventajas, porque mantiene la fuente del qubit y la detección en estaciones terrestres más controlables y mejor equipadas.

En ambos escenarios, el equipo descubrió que la pérdida total de señal en 20.000 km sería de unos 30 decibeles. Esto es comparable a la pérdida experimentada en sólo 200 km de un enlace directo de fibra óptica (suponiendo una tasa de pérdida de 0,15 dB/km en fibra). “Un protocolo satelital de tan baja pérdida permitiría comunicaciones cuánticas globales multimodo robustas y no requeriría memorias cuánticas ni un protocolo redundante”, escriben Goswami y Dara.

Se necesita una gran ingeniería

“Lo que esencialmente hace esta propuesta”, señaló Goswami en un correo electrónico a OPN, “es que traslada la tarea de crear una red cuántica de la física a la ingeniería”. Pero añadió que parte del trabajo de ingeniería probablemente no sería trivial, especialmente en términos de diseño y desarrollo de los satélites de la flota. Sin embargo, él y Dara enfatizan en su artículo que los avances recientes en la tecnología espacial, ejemplificados por los vehículos de lanzamiento reutilizables de organizaciones como SpaceX y los vastos conjuntos de satélites de comunicaciones convencionales que varias empresas privadas lanzan a la órbita terrestre baja, hacen que un sistema como este. Porque su ASQN es más factible que en el pasado.

Goswami y Dara enfatizan que los recientes avances en la tecnología espacial hacen que un sistema como su ASQN sea mucho más factible que en el pasado.

Goswami dijo a OPN que se necesita una cadena de unos 160 satélites para cubrir la distancia completa de 20.000 kilómetros como se describe en el documento. Señaló que una sola cadena geoestacionaria cubriría la mayor parte del mundo cada tres días mientras la Tierra gira bajo la constelación de satélites, por lo que Goswami dijo: “Incluso una sola cadena puede usarse para conectar muchos lugares en diferentes momentos”. Pero crear una red bidimensional más grande, que permita comunicaciones cuánticas ininterrumpidas en todo el mundo, requerirá decenas de miles de nuevos satélites.

Red cuántica Sí, tal vez la Internet cuántica

Goswami y Dara creen que al eliminar la necesidad de repetidores cuánticos o memoria cuántica, el esquema que propusieron y diseñaron podría desbloquear la gama de posibilidades integradas en una red cuántica. Estas perspectivas incluyen comunicación segura a través de la distribución de claves cuánticas, interconexión de computadoras cuánticas y teledetección cuántica precisa.

Sin embargo, los investigadores reconocen que una red más compleja (la visión a largo plazo de una “Internet cuántica” que ahora se está desarrollando en una variedad de laboratorios de investigación) aún requerirá algún tipo de memoria cuántica para garantizar una transferencia de datos completamente sin pérdidas. . Sin embargo, Goswami y Dara sostienen que al eliminar la pérdida por difracción, su configuración debería mitigar algunos de los requisitos de eficiencia más estrictos para la memoria cuántica requerida. Por lo tanto, algunas de sus configuraciones ASQN, escriben, no sólo podrían servir para construir una red cuántica orbital, sino que podrían resultar “otro candidato interesante para implementar una Internet cuántica”.