Tecnologías cuánticas en la comunicación espacial: Desafíos

En el rápido avance de las comunicaciones modernas, la seguridad de los datos se erige como una preocupación primordial. En este contexto, las tecnologías cuánticas en la comunicación espacial han surgido como una solución innovadora, ofreciendo niveles de protección sin precedentes fundamentados en los principios de la física cuántica. La Distribución Cuántica de Claves (QKD) se presenta como un método revolucionario para asegurar la confidencialidad y la integridad de la información transmitida, aprovechando las características singulares de las partículas cuánticas.

A pesar de los avances significativos en las comunicaciones cuánticas terrestres, las limitaciones inherentes a los enlaces de fibra óptica plantean desafíos para su implementación a escala global. Es en este contexto donde la exploración de las comunicaciones cuánticas en el espacio adquiere relevancia, ofreciendo un campo prometedor para la investigación y el desarrollo de soluciones que posibiliten una comunicación segura a través de largas distancias.

Comunicaciones cuánticas: Una nueva era de seguridad

Las comunicaciones cuánticas ofrecen múltiples ventajas para la transmisión segura de datos, incluyendo la confidencialidad, integridad y detectabilidad de cualquier intento de espionaje. La información se codifica en bits cuánticos (qubits), que se basan en propiedades físicas intrínsecas como la polarización de un fotón. A través de las propiedades de “superposición de estados” y “enredo” de la física cuántica, es posible codificar información utilizando la correlación entre dos o más partículas (fotones, átomos). La Distribución Cuántica de Claves (QKD) es uno de los métodos innovadores de procesamiento de la información que surgió de estas propiedades.

La QKD permite que dos (o más) partes sepan cuándo un canal de comunicación es completamente seguro para intercambiar una clave encriptada. Se utiliza antes de que la información clásica se transmita a través de canales de comunicación convencionales no seguros, como líneas telefónicas, enlaces de RF y redes de fibra óptica. Dado que las leyes de la física cuántica establecen que una sola partícula como un fotón no se puede dividir o clonar, se certifica la seguridad absoluta de la comunicación.

Átomos

Las tecnologías cuánticas y sus soluciones en comunicación espacial

Sin embargo, los canales de comunicación cuánticos están limitados en la Tierra. Las pérdidas en los enlaces de fibra óptica y la tecnología actual del detector de fotones limitan la longitud máxima del tramo sin usar la regeneración (amplificación) a 100 km. Para la transmisión en espacio libre, el límite es el horizonte visible. En contraste, en el espacio, estos problemas son casi inexistentes y son menos graves en los enlaces tierra-espacio. Los enlaces cuánticos en espacio libre combinados con contrapartes de fibra podrían extender la comunicación segura entre puntos en la Tierra a un nivel global.

Por ejemplo, varios experimentos de prueba de principio ya se han realizado. Un notable ejemplo es el enlace de 144 km de espacio libre entre las Islas Canarias La Palma y Tenerife, utilizando el telescopio receptor de 1 metro de diámetro de la ESA para recibir fotones individuales. También se ha simulado un enlace satélite a tierra entre el Observatorio Matera-Laser-Ranging en Italia y el satélite de órbita terrestre baja (LEO) Ajisai.

Fibra óptica

El transceptor cuántico: Un avance clave de las tecnologías cuánticas en la comunicación espacial

En el contexto de la comunicación cuántica en el espacio, un subsistema esencial es el transceptor fotónico capaz de generar y detectar fotones enredados y pulsos de láser débiles, conocido como Transceptor Cuántico (QTxRx). Este dispositivo debe cumplir con especificaciones muy exigentes para aplicaciones espaciales: un tamaño total inferior a 200 x 150 x 100 mm³, una masa inferior a 3 kg y un consumo máximo de potencia total (incluidos los electrónicos) inferior a 15 W, además de todos los requisitos ambientales severos como vibración, temperatura de choque y radiación.

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Alter Technology Spain, en colaboración con empresas como ICFO, ICREA y LIDAX, está desarrollando este transceptor. Este proyecto de desarrollo de comunicaciones cuánticas en el espacio está alineado con el futuro EuroQCI, una iniciativa europea para asegurar la infraestructura de comunicaciones cuánticas que se extiende por toda la UE y sus territorios de ultramar.

Transceptor cuántico

El proyecto QUDICE: Hacia una red europea de comunicaciones cuánticas

Lanzado en enero de 2023, el proyecto QUDICE se centra en el desarrollo de componentes y subsistemas para QKD en el espacio. Este proyecto europeo, que incluye a once socios de seis países europeos, tiene como objetivo desarrollar y probar prototipos que permitan una red europea de satélites con distribución de clave cuántica como servicio principal. La finalización exitosa de este proyecto representará un punto de inflexión en las comunicaciones a través del espacio, permitiendo comunicaciones ultraseguras extendidas en toda la región europea.

El consorcio de QUDICE ha adquirido una experiencia considerable a partir de su proyecto precursor Quango, en el cual desarrollaron componentes y sistemas tecnológicos cuánticos pioneros en el laboratorio. En QUDICE, los dispositivos se llevarán de las demostraciones de placas de prueba en un laboratorio (TRL4) a un modelo de ingeniería calificado para el espacio (TRL6).

Objetivos y componentes del proyecto QUDICE

QUDICE ya está en plena marcha con el objetivo de obtener los primeros prototipos a finales de 2024 y probarlos en 2025. En concreto, QUDICE desarrollará dos fuentes para QKD (una para codificación de variable discreta y otra para variable continua), un generador cuántico de números aleatorios, un sistema de localización, adquisición y seguimiento de satélites, una fuente de fotones entrelazados, un sistema 5G para el soporte de posprocesamiento QKD y un servicio de conectividad seguro QKD 5G, además de simulaciones para evaluar el rendimiento de los componentes de comunicaciones satelitales cuánticos desarrollados.

Este proyecto será un actor clave para permitir la realización de una red europea de satélites con QKD como su principal enfoque de protocolo de seguridad. La Comisión Europea está muy comprometida con la integración de tecnologías cuánticas en el campo de las telecomunicaciones y las comunicaciones de red, trabajando con los 27 Estados miembros de la UE y la Agencia Espacial Europea (ESA) para diseñar, desarrollar y desplegar comunicaciones ultraseguras tanto a través de segmentos terrestres como espaciales.

SEAQUE: Hacia una red cuántica mundial

Además de QUDICE, el experimento SEAQUE (Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment) financiado por la NASA representa otro avance significativo en las tecnologías cuánticas para la comunicación espacial. SEAQUE, que se lanzará a la Estación Espacial Internacional, probará dos tecnologías de comunicación cuántica en el duro ambiente del espacio. Los ordenadores cuánticos, que pueden funcionar millones de veces más rápido que los convencionales, y las redes de sensores cuánticos, que pueden llevar a nuevos descubrimientos al medir cambios minúsculos en la gravedad, necesitan una red de comunicaciones específica. Un componente clave de esta red serán los «nodos» espaciales que puedan recibir y transmitir datos cuánticos hacia la Tierra y desde ella, usando fotones como soporte.

SEAQUE buscará demostrar la viabilidad de la tecnología que podría permitir a los nodos en órbita conectar de forma segura transmisores y receptores cuánticos a grandes distancias. La transmisión de fotones entrelazados a ordenadores cuánticos en la superficie de la Tierra podría sentar las bases de la computación cuántica en la nube, permitiendo el intercambio y procesamiento de datos cuánticos independientemente de la ubicación de los ordenadores. SEAQUE también probará una técnica para ayudar a los nodos espaciales a autorrepararse de los daños causados por la radiación, un reto constante en el mantenimiento de cualquier aparato en el espacio.

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