Un satélite chino ha dividido pares de "fotones enredados" y los transmitió a estaciones terrestres separadas a 745 millas (1,200 kilómetros) de distancia, rompiendo el récord de distancia anterior para tal hazaña y abriendo nuevas posibilidades en la comunicación cuántica.
En física cuántica, cuando las partículas interactúan entre sí de cierta manera, se "enredan". Esto esencialmente significa que permanecen conectados incluso cuando están separados por grandes distancias, de modo que una acción realizada en uno afecta al otro.
En un nuevo estudio publicado en línea hoy (15 de junio) en la revista Science, los investigadores informan sobre la distribución exitosa de pares de fotones enredados a dos ubicaciones en la Tierra separadas por 7,203 km (747.5 millas).
El entrelazamiento cuántico tiene aplicaciones interesantes para probar las leyes fundamentales de la física, pero también para crear sistemas de comunicación excepcionalmente seguros, según los científicos. Esto se debe a que la mecánica cuántica afirma que medir un sistema cuántico inevitablemente lo perturba, por lo que cualquier intento de espionaje es imposible de ocultar.
Pero es difícil distribuir partículas enredadas, normalmente fotones, a grandes distancias. Al viajar a través del aire o por cables de fibra óptica, el entorno interfiere con las partículas, por lo que a mayores distancias, la señal decae y se vuelve demasiado débil para ser útil.
En 2003, Pan Jianwei, profesor de física cuántica en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, comenzó a trabajar en un sistema basado en satélites diseñado para transmitir pares de fotones enredados a las estaciones terrestres. La idea era que debido a que la mayor parte del viaje de la partícula sería a través del vacío del espacio, este sistema introduciría considerablemente menos interferencia ambiental.
"Muchas personas pensaron que era una idea loca, porque ya era muy difícil hacer los sofisticados experimentos de óptica cuántica dentro de una mesa óptica bien protegida", dijo Pan a Live Science. "Entonces, ¿cómo puedes hacer experimentos similares a una distancia de mil kilómetros y con los elementos ópticos vibrando y moviéndose a una velocidad de 8 kilómetros por segundo?"
En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron el satélite Micius de China, que se lanzó el año pasado, para transmitir los pares de fotones enredados. El satélite presenta una fuente de fotones enredada ultrabrillante y un sistema de adquisición, apuntado y seguimiento (APT) de alta precisión que utiliza rayos láser de baliza en el satélite y en tres estaciones terrestres para alinear el transmisor y los receptores.
Una vez que los fotones llegaron a las estaciones terrestres, los científicos llevaron a cabo pruebas y confirmaron que las partículas aún estaban enredadas a pesar de haber viajado entre 1.600 y 2.400 km (994 millas y 1.490 millas), dependiendo de la etapa de su órbita en la que se encontraba el satélite.
Los científicos dijeron que solo las 10 millas (6 millas) más bajas de la atmósfera de la Tierra son lo suficientemente gruesas como para causar una interferencia significativa con los fotones. Esto significa que la eficiencia general de su enlace fue mucho mayor que los métodos anteriores para distribuir fotones enredados a través de cables de fibra óptica, según los científicos.
"Ya hemos logrado una eficiencia de distribución de enredos de dos fotones un billón de veces más eficiente que usar las mejores fibras de telecomunicaciones", dijo Pan. "Hemos hecho algo que era absolutamente imposible sin el satélite".
Además de llevar a cabo experimentos, uno de los usos potenciales de este tipo de sistema es la "distribución de clave cuántica", en la cual los sistemas de comunicación cuántica se utilizan para compartir una clave de cifrado entre dos partes que es imposible de interceptar sin alertar a los usuarios. Cuando se combina con el algoritmo de cifrado correcto, este sistema es indescifrable incluso si los mensajes cifrados se envían a través de canales de comunicación normales, según los expertos.
Artur Ekert, profesor de física cuántica en la Universidad de Oxford en el Reino Unido, fue el primero en describir cómo los fotones enredados podrían usarse para transmitir una clave de cifrado.
"El experimento chino es un logro tecnológico bastante notable", dijo Ekert a Live Science. "Cuando propuse la distribución de claves cuánticas entrelazadas en 1991, cuando era estudiante en Oxford, ¡no esperaba que se elevara a tales alturas!"
Sin embargo, el satélite actual no está listo para su uso en sistemas prácticos de comunicación cuántica, según Pan. Por un lado, su órbita relativamente baja significa que cada estación terrestre tiene cobertura durante solo unos 5 minutos cada día, y la longitud de onda de los fotones utilizados significa que solo puede operar de noche, dijo.
El aumento de los tiempos y áreas de cobertura significará el lanzamiento de nuevos satélites con órbitas más altas, dijo Pan, pero esto requerirá telescopios más grandes, un seguimiento más preciso y una mayor eficiencia del enlace. La operación diurna requerirá el uso de fotones en las longitudes de onda de telecomunicaciones, agregó.
Pero si bien el desarrollo de redes de comunicación cuántica futuras requerirá un trabajo considerable, Thomas Jennewein, profesor asociado en el Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo en Canadá, dijo que el grupo de Pan ha demostrado uno de los bloques de construcción clave.
"He trabajado en esta línea de investigación desde 2000 e investigé implementaciones similares de experimentos de entrelazamiento cuántico desde el espacio, y por lo tanto puedo dar fe de la audacia, la dedicación y las habilidades que este grupo chino ha demostrado", dijo a Live Science .
