En un nuevo estudio, los investigadores demuestran mediciones terrestres de estados cuánticos enviadas por un láser a bordo de un satélite 38, 000 kilómetros sobre la Tierra. Esta es la primera vez que los estados cuánticos se han medido con tanto cuidado desde tan lejos.

“Nos sorprendió bastante lo bien que sobrevivieron los estados cuánticos viajando a través de la turbulencia atmosférica hasta una estación terrestre, "dijo Christoph Marquardt del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, Alemania. "El documento demuestra que la tecnología en satélites, ya a prueba de espacio contra pruebas ambientales severas, se puede utilizar para lograr mediciones cuánticas limitadas, haciendo posible así una red de comunicaciones cuánticas por satélite. Esto reduce enormemente el tiempo de desarrollo, lo que significa que podría ser posible tener un sistema de este tipo tan pronto como dentro de cinco años ".

Una red de cifrado cuántica basada en satélites proporcionaría una forma extremadamente segura de cifrar los datos enviados a largas distancias. El desarrollo de un sistema de este tipo en solo cinco años es una línea de tiempo extremadamente rápida, ya que la mayoría de los satélites requieren alrededor de 10 años de desarrollo. Normalmente, todos los componentes, desde computadoras hasta tornillos, deben ser probados y aprobados para funcionar en las duras condiciones ambientales del espacio y deben sobrevivir a los cambios gravitacionales experimentados durante el lanzamiento.

Marquardt y sus colegas de la división de Gerd Leuchs en el Instituto Max Planck en Erlangen informan sobre su nueva investigación en Optica , Revista de la Optical Society para investigaciones de alto impacto.

Usar la luz para mantener los datos seguros

Hoy dia, mensajes de texto, Las transacciones bancarias y la información de salud están encriptadas con técnicas basadas en algoritmos matemáticos. Este enfoque funciona porque es extremadamente difícil averiguar el algoritmo exacto que se utiliza para cifrar un dato determinado. Sin embargo, Los expertos creen que es probable que en los próximos 10 a 20 años estén disponibles computadoras lo suficientemente potentes para descifrar estos códigos de cifrado.

La amenaza de seguridad que se avecina ha puesto más atención en la implementación de técnicas de cifrado más sólidas, como la distribución de claves cuánticas. En lugar de depender de las matemáticas, La distribución de claves cuánticas utiliza propiedades de partículas de luz conocidas como estados cuánticos para codificar y enviar la clave necesaria para descifrar los datos codificados. Si alguien intenta medir las partículas de luz para robar la llave, cambia el comportamiento de las partículas de una manera que alerta a las partes comunicantes previstas que la clave ha sido comprometida y no debe usarse. El hecho de que este sistema detecte escuchas significa que la comunicación segura está garantizada.

Aunque los métodos para el cifrado cuántico se han desarrollado durante más de una década, no funcionan a largas distancias porque las pérdidas de luz residual en las fibras ópticas utilizadas para las redes de telecomunicaciones en el suelo degradan las señales cuánticas sensibles. Las señales cuánticas no se pueden regenerar sin alterar sus propiedades demandando amplificadores ópticos como se hace con los datos ópticos clásicos. Por esta razón, Ha habido un impulso reciente para desarrollar una red de comunicación cuántica basada en satélites para vincular redes de cifrado cuántico basadas en tierra ubicadas en diferentes áreas metropolitanas, países y continentes.

Aunque los nuevos hallazgos mostraron que las redes de satélites de comunicación cuántica no necesitan diseñarse desde cero, Marquardt señala que todavía se necesitarán de 5 a 10 años para convertir los sistemas terrestres en cifrado cuántico para comunicar los estados cuánticos con los satélites.

Midiendo estados cuánticos

Para los experimentos, El equipo de Marquardt trabajó en estrecha colaboración con la empresa de telecomunicaciones por satélite Tesat-Spacecom GmbH y la Administración Espacial Alemana. La Administración Espacial Alemana contrató previamente a Tesat-Spacecom en nombre del Ministerio Alemán de Economía y Energía para desarrollar una tecnología de comunicaciones ópticas para satélites. Esta tecnología ahora se está utilizando comercialmente en el espacio por terminales de comunicación láser a bordo de Copernicus, el Programa de Observación de la Tierra de la Unión Europea, y por SpaceDataHighway, el sistema europeo de retransmisión de datos por satélite.

Resultó que esta tecnología de comunicaciones ópticas por satélite funciona de manera muy similar al método de distribución de claves cuánticas desarrollado en el Instituto Max Planck. Por lo tanto, los investigadores decidieron ver si era posible medir estados cuánticos codificados en un rayo láser enviado desde uno de los satélites que ya estaban en el espacio. En 2015 y principios de 2016, el equipo realizó estas mediciones desde una estación terrestre del Observatorio del Teide en Tenerife, España. Crearon estados cuánticos en un rango en el que el satélite normalmente no funciona y pudieron realizar mediciones cuánticas limitadas desde el suelo.

"De nuestras medidas, podríamos deducir que la luz que viaja a la Tierra es muy adecuada para funcionar como una red de distribución de claves cuánticas, ", Dijo Marquardt." Nos sorprendió porque el sistema no fue construido para esto. Los ingenieros habían hecho un excelente trabajo optimizando todo el sistema ".

Los investigadores ahora están trabajando con Tesat-Spacecom y otros en la industria espacial para diseñar un sistema actualizado basado en el hardware que ya se usa en el espacio. Esto requerirá actualizar el diseño de comunicación láser, incorporando un generador de números aleatorios basado en cuántica para crear las claves aleatorias e integrando el posprocesamiento de las claves.

"Existe un gran interés por parte de la industria espacial y otras organizaciones por implementar nuestros hallazgos científicos, "dijo Marquardt." Nosotros, como científicos fundamentales, ahora estamos trabajando con ingenieros para crear el mejor sistema y garantizar que no se pase por alto ningún detalle ".