España pone los cimientos para el blindaje de las comunicaciones en el mundo cuántico

Tal y como indica Carlos Antón-Solanas, investigador del departamento de Física de Materiales de la UAM y director del equipo experimental Quantum Optics in the Solid-State (QOSS), «el papel de las tecnologías cuánticas en las comunicaciones seguras consiste en establecer métodos disruptivos para mejorar la encriptación de la información. Actualmente, estos canales de comunicación cuántica están siendo testados a escalas urbanas, interurbanas o satelital».

Además, las tecnologías cuánticas juegan un papel crucial al forzar la actualización de los métodos de encriptación clásicos. El algoritmo de Shor, por ejemplo, que permite factorizar números primos de manera eficiente, «ha impulsado la búsqueda de sistemas de encriptación post-cuánticos, más resistentes a futuros ordenadores cuánticos. A su vez, estos nuevos métodos clásicos estimularán la creación de algoritmos cuánticos capaces de romperlos, en un ciclo continuo que mejora de manera imparable la seguridad de nuestras comunicaciones», añade.

El alto nivel de seguridad que proporciona la distribución cuántica de claves (QKD, Quantum Key Distribution), «se debe a la imposibilidad de copiar un estado cuántico (principio de no clonación) y a la facilidad de detección de alteraciones de la información. Es decir, o bien la información llega sin que se haya podido leer de manera fraudulenta, o bien se detecta una fuga de información, que permite tomar acciones correctoras inmediatamente», indica Luis de Pedro Sánchez, experto en tecnologías cuánticas y miembro de la Asociación Española de Ingenieros de Telecomunicación de Madrid (AEIT-Madrid).

Señala también que la aportación de las tecnologías cuánticas en las comunicaciones seguras es doble. «Establecen nuevas técnicas de comunicación incondicionalmente seguras, empleando luz cuántica e impulsan el desarrollo de métodos clásicos de encriptación más robustos, al demostrar cómo los sistemas actuales podrían ser vulnerables frente a la computación cuántica», subraya el profesor.

En comunicación cuántica, las fuentes de luz empleadas son fotones individuales o láseres atenuados. «La tecnología basada en láseres atenuados está más madura, porque es mucho más sencillo generar este tipo de luz que obtener fuentes realmente eficientes de fotones individuales», matiza Antón-Solanas.

Uno de los grandes retos actuales es, precisamente, disponer de fuentes de fotones individuales que funcionen de forma fiable a temperatura ambiente. «Para ello es necesario explorar materiales capaces de emitir fotones únicos en esas condiciones, y diseñar estructuras nanofotónicas que potencien al máximo esa emisión», indica el docente. Si bien el desarrollo de fuentes ultrabrillantes de fotones individuales sigue siendo un desafío enorme, en los últimos 20 años se han conseguido avances muy significativos. «Superar este reto permitirá multiplicar las posibilidades de las comunicaciones cuánticas», añade.

Entre otros aspectos en los que se está trabajando destaca el de la distancia. «Las señales cuánticas se degradan rápidamente, por lo que es difícil transmitir información a largas distancias sin utilizar sistemas tipo repetidor», subraya Luis de Pedro. En cuanto a la infraestructura, requiere fibras ópticas específicas o satélites con alta precisión y en relación a los costes, todavía es una tecnología cara y compleja de desplegar a gran escala. Además, «falta un marco global que unifique protocolos y garantice interoperabilidad», destaca el también profesor de la UAM.

Hasta la fecha, no existe ningún sistema de distribución de clave cuántica operado desde órbita geoestacionaria (GEO), lo que convierte al proyecto de Thales e Hispasat en una misión cuántica sin precedentes. Las coberturas geoestacionarias permiten establecer estas comunicaciones entre continentes enteros con un solo satélite, de manera continua y sin necesidad de sistemas de seguimiento. El reto está en enviar, recibir y detectar fotones individuales, «que se debe controlar y estar sincronizado y que es emitido desde 36.000 km de distancia», explica Ángel Álvaro, director técnico de QKD-GEO. El proyecto incluye una carga útil cuántica a bordo de un satélite que permitirá transmitir claves a escala global.

El presupuesto de este proyecto es de 103, 5 millones de euros, una iniciativa promovida por la secretaría de Estado de Telecomunicaciones e Infraestructuras Digitales. Cuenta con financiación proveniente de los Fondos Europeos de Recuperación a través del Perte Aeroespacial. «Es importante resaltar que el 67% de la actividad que genere el proyecto se realizará por empresas españolas», matizó Ángel Álvaro. El telescopio, por ejemplo, se fabrica en Europa una vez que en España no se ha desarrollado la tecnología necesaria para su fabricación.

El próximo año se realizarán pruebas de campo con un enlace atmosférico de 140 km entre las islas de La Palma y Tenerife para validar el funcionamiento del segmento terreno y de la carga útil. Será el paso previo a su despliegue en la misión operativa en órbita que podrá tener lugar en 2028.

Hispasat está a cargo del diseño de la misión geoestacionaria y de la definición del plan de negocio, contando con el apoyo de socios estratégicos como Banco Santander, BBVA, Telefónica y Cellnex para el análisis de casos de uso reales. «Hispasat operará un primer servicio comercial QKD basado en el espacio», subraya el director técnico de la compañía.

Según resalta Luis de Pedro Sánchez, España participa activamente en la European Quantum Communication Infrastructure (EuroQCI), (Home - EuroQCI Spain). «Su posición geográfica la convierte en un puente potencial entre Europa, África y América, con interés en futuros enlaces satelitales cuánticos», explica. Adicionalmente, los ingenieros de Telecomunicación «estamos perfectamente preparados para liderar el desarrollo de estas tecnologías y su aplicación en distintos sectores de la industria, gracias a nuestra formación sólida en sistemas de comunicaciones, óptica y redes avanzadas. Esto posiciona al país para no solo adoptar, sino también impulsar innovaciones cuánticas a nivel europeo e internacional», añade.

Tanto el sector público como el privado están investigando en este campo y un ejemplo de colaboración entre ambos es la participación de IMDEA Networks, 5TONIC, Telefónica, y la Universidad Carlos III de Madrid en el proyecto MADQuantum-CM , con el objetivo de expandir MadQCI, la mayor red de comunicaciones cuánticas de Europa. Por otra parte, centros punteros como el ICFO, la Universidad Politécnica de Madrid, o el Instituto de Física Fundamental del CSIC lideran publicaciones y proyectos internacionales.

«Nuestro trabajo se centra en crear soluciones que permitan extender el alcance y la funcionalidad de las redes cuánticas, garantizando su integración con las infraestructuras de comunicaciones actuales», explica Albert Banchs, investigador principal de IMDEA Networks en el proyecto MADQuantum-CM. Entre los objetivos clave del proyecto destacan el desarrollo de nuevos protocolos de comunicaciones cuánticas más eficientes y seguros, la integración de tecnologías QKD en redes de comunicaciones convencionales, la formación de investigadores especializados para impulsar la industria nacional y la creación de casos de uso en sectores críticos como sanidad, energía y servicios públicos.

La computación y simulación y la metrología y sensado son otros dos de los pilares en los que se articulan las tecnologías cuánticas, además de la referida comunicación. En el primer caso, «abren la puerta a resolver problemas de enorme complejidad, como simulaciones de moléculas, materiales o medicamentos, inabordables para los ordenadores clásicos», explica el investigador Carlos Antón-Solanas. «Aquí destacan plataformas como las redes de átomos o los cúbits superconductores, aunque también los fotones ofrecen alternativas para cálculos complejos», añade. Además, la futura interconexión de ordenadores cuánticos (el llamado internet cuántico) «solo será posible mediante fotónica cuántica, ya que es la luz la que puede transportar entrelazamiento cuántico entre diferentes nodos», puntualiza.

En cuanto al sensado y metrología, las tecnologías cuánticas permiten realizar medidas con límites de precisión mucho más avanzados: «En el caso de la fotónica, el uso de estados cuánticos de la luz permite mejorar la sensibilidad en aplicaciones como la detección biomédica, o la detección de ondas gravitacionales».