China, a un paso del teletransporte cuántico en el espacio

El pasado 16 de agosto de 2016 China lanzó el primer satélite cuántico al espacio , en la misión QUESS («Quantum Experiments at Space Scale»), para comprobar si esta tecnología podría usarse para hacer una red de comunicaciones cuánticas en el espacio. Este jueves, un artículo publicado en Science por los científicos chinos ha puesto la primera piedra de esta tarea. Los investigadores han logrado conseguir el entrelazamiento de fotones , una propiedad de la Mecánica Cuántica a la que Einstein bautizó irónicamente como «fantasmagórica reacción a distancia», entre dos estaciones terrestres separadas por una distancia de 1.200 kilómetros , vía satélite. Después de este hito, lograr el teletransporte de información entre dichas estaciones es tan solo un paso sencillo.

«Es un avance muy importante. Han logrado extender el rango de la potencial criptografía cuántica de los cien kilómetros hasta los 1.200 kilómetros», ha explicado a ABC Juan José García Ripoll , investigador del Instituto de Física Fundamental (IFF-CSIC).

China, que fue considerada por Nature como el país « pionero de la tecnología cuántica en el espacio », cuenta con varias redes cuánticas indescifrables para unir ciudades e instituciones. El problema es que dichas redes como mucho pueden tener una longitud de 100 kilómetros, por lo que están conectadas entre sí por canales convencionales, de modo que su seguridad podría quedar vulnerada en las rutas de enlace. La forma de evitarlo es usar una conexión cuántica vía satélite. De ahí la importancia de este último avance.

El entrelazamiento y el teletransporte son unos fenómenos que ocurren a la escala de lo más pequeño y que permiten que fotones separados se comporten como los reflejos de un espejo , aunque estén separados por distancias enormes. Como los fotones se pueden enviar para mandar información, como ocurre con la fibra óptica convencional, este fenómeno también se puede usar para intercambiar datos. Y además hacerlo de un modo a prueba de «hackers» y oídos indiscretos.

De hecho, la NASA y otros organismos ya llevan varios años trabajando en sistemas de comunicación similares, en los que los fotones (partículas cuánticas) que han sido previamente entrelazados, funcionan como unidades transmisoras de información (bits) a largas distancias, aunque no haya ningún sistema que físicamente los una. En parte para potenciar esta tecnología, en 2018 la Unión Europea lanzará un proyecto «flagship» financiado con 1.000 millones para financiar estas investigaciones.

¿Cómo funciona el teletransporte de información? La receta para lograrlo consiste en entrelazar fotones. El entrelazamiento es una característica de la Mecánica Cuántica por la cual dos partículas «coordinan» o correlacionan sus estados cuánticos de forma que el valor de cualquier propiedad, como la polarización de un fotón, es el mismo para ambas partículas (por eso se puede decir que una es el reflejo de otra). Por muy lejos que estén dos fotones entrelazados, al medir el estado cuántico de uno en un sitio, automáticamente se obtiene el mismo resultado en un sitio distinto.

Pero hay algo más. En realidad el estado de ambos fotones nunca está definido, porque se encuentra en una superposición aleatoria de muchas posibilidades.

Por eso, si alguien intercepta uno de los fotones solo obtendrá un resultado aleatorio. A menos que tenga una «clave» para leer el estado de dichos fotones de forma correcta. Esta clave se puede enviar de forma convencional, y por sí sola no tiene la información suficiente como para que alguien externo que la intercepte entienda el mensaje.

Una limitación de esta tecnología es la distancia. A medida que los fotones viajan por una fibra óptica, se van perdiendo y en ocasiones también van «olvidando» su estado cuántico (esto se conoce como decoherencia). Cuanta mayor sea la longitud recorrida, más probable será que esto ocurra y que, por lo tanto, ser pierda el mensaje por el camino.

Pero al usar un satélite conectado con Tierra, se sustituye esta fibra óptica por una franja de varios kilómetros de atmósfera, en la que es más difícil que los fotones pierdan información al chocar con las partículas del gas.

En esta ocasión, los investigadores chinos lograron generar pares de fotones entrelazados a bordo del satélite Micius, y enviar cada uno de ellos a sendas estaciones receptoras en Tierra, separadas por una distancia de 1.200 kilómetros. Gracias al entrelazamiento, los resultados de la medida del estado cuántico de los fotones fue el mismo en las dos estaciones.

En realidad, esto no siempre funcionó, y se cometieron muchos errores. Por eso, para que esta tecnología realmente puede ser útil en el futuro, aún será necesario mejorar la precisión del envío, mejorando los sistemas receptores y la emisión de los fotones.

Una vez conseguido un entrelazamiento más fiable entre fotones enviados del espacio a la Tierra, y viceversa, una red terrestre (por ejemplo la de un banco o una institución estratégica del estado) podrá utilizar los fotones entrelazados generados por el satélite, para distribuir información cuántica usando teletransporte cuántico a grandes distancias. Cuando eso ocurra, las comunicaciones podrán ser totalmente seguras , a prueba de «hackers» y supercomputadores capaces de descifrar claves.