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Un equipo de investigación de la Universidad de Calgary, Canadá, y la Universidad de Florida Central, EE.UU., ha modelado cómo naves espaciales muy cercanas en órbita terrestre baja, equipadas con espejos para la transmisión de señales de baja pérdida, podrían servir como “lentes de satélite” en órbita para Permitir redes de comunicaciones cuánticas que abarquen todo el mundo. [Imagen: Cortesía de S. Goswami]

Los investigadores y la industria miran cada vez más la perspectiva de redes de comunicaciones globales que aprovecharían la seguridad que ofrece la tecnología cuántica. Sin embargo, un obstáculo ha sido la falta de “repetidores cuánticos” escalables análogos a los que mantienen vivas las señales ópticas en las redes de fibra clásicas de larga distancia.

Como alternativa, algunos grupos de investigación están estudiando las comunicaciones cuánticas basadas en satélites, en las que la información cuántica viajaría a través de rayos láser entre naves espaciales en órbita terrestre baja (LEO). Sin embargo, incluso los planes satelitales tienen sus riesgos. La pérdida de fotones en los rayos láser que difractan, así como la curvatura de la propia Tierra, probablemente limitarían las distancias realistas de enlaces cuánticos de alta eficiencia entre satélites LEO a menos de 2.000 km.

Ahora, los investigadores Sumit Goswami de la Universidad de Calgary, Canadá, y Sayandip Dhara de la Universidad de Florida Central, EE. UU., han presentado una propuesta que muestra cómo se podrían superar esos obstáculos (Phys. Rev. Appl., doi: 10.1103/PhysRevApplied .20.024048). Su propuesta implica transmitir delicadas señales cuánticas a través de una cadena de satélites que se mueven sincrónicamente y relativamente juntos. Esos satélites, sugiere la pareja, podrían actuar efectivamente “como un conjunto de lentes sobre una mesa óptica”, enfocando y doblando haces a lo largo de la curvatura de la Tierra y evitando la pérdida de fotones a distancias de hasta 20.000 km, sin necesidad de repetidores cuánticos.

Si bien Goswami y Dhara se refieren metafóricamente a los nodos de su red cuántica de satélites (ASQN) propuesta como lentes de satélite, en realidad la magia óptica ocurre con espejos, para mantener las pérdidas de fotones relacionadas con la absorción al mínimo absoluto. En términos simplificados, un satélite determinado de la cadena envía un haz de luz al siguiente, quizás a 120 km de distancia. El siguiente satélite captura y reenfoca el haz con un espejo receptor y lo hace rebotar en dos espejos más pequeños hasta un espejo transmisor final, que transmite la señal al siguiente satélite de la cadena.

Según su propuesta, dicen los investigadores, los satélites estrechamente espaciados actúan efectivamente "como un conjunto de lentes sobre una mesa óptica", enfocando y doblando los haces a lo largo de la curvatura de la Tierra y evitando la pérdida de fotones debido a la difracción.

En su modelización, Goswami y Dhara consideraron una cadena de satélites, cada uno de ellos separado del siguiente por 120 km; Dada la divergencia esperada del haz en la órbita terrestre, eso implica un diámetro de telescopio de 60 cm para cada satélite. El modelado del equipo sugiere que una configuración de retransmisión de este tipo, con la señal cuántica transmitida de un satélite a otro mediante reflexión, prácticamente eliminaría la pérdida por difracción en distancias de 20.000 km.

Una vez solucionada la pérdida por difracción, Goswami y Dhara examinaron metódicamente otras posibles fuentes de pérdida en el sistema de lentes del satélite. Una obvia es la pérdida por reflexión de algunos fotones en los propios espejos, que la pareja cree que podría mantenerse manejable mediante una configuración que combine grandes espejos metálicos y pequeños espejos Bragg de ultra alta reflectividad. Otra fuente de pérdidas reside en los errores de seguimiento y posicionamiento de los satélites de la cadena; Estos contratiempos deberían reducirse al mínimo para mantener los satélites sincronizados entre sí.

Una última fuente de pérdidas no tiene nada que ver con los satélites. Dependiendo de la arquitectura de comunicación cuántica, la información cuántica debe transmitirse desde y hacia estaciones en la superficie de la Tierra. Para las señales ópticas del espacio libre, esto abre la posibilidad de pérdidas de datos debido a la turbulencia atmosférica, que puede aumentar drásticamente el tamaño y la dispersión del haz.

La turbulencia resulta ser un problema mucho mayor para los datos en el enlace ascendente (tierra a satélite) que en el enlace descendente (satélite a tierra). Esto se debe a que en el enlace ascendente, la turbulencia hace su trabajo sucio al principio de la cadena de comunicación y no al final; de este modo, la divergencia y fragmentación del haz inducida por la turbulencia se magnifica a lo largo de la gran distancia de propagación de la red de satélites en su conjunto.

Para su propuesta de red cuántica de satélites (ASQN), Goswami y Dhara modelaron dos esquemas de comunicación cuántica diferentes. En uno, la transmisión qubit (arriba), los fotones se transmiten desde una fuente terrestre a un primer satélite, se retransmiten a través del espacio a lo largo de una cadena de satélites reflectores y se transmiten a otra estación terrestre, con la difracción del haz controlada mediante enfoque. En el otro, la distribución de entrelazamiento, una fuente de entrelazamiento se ubica en un satélite (S1) o en la tierra (S2), y los fotones entrelazados se distribuyen a estaciones terrestres muy separadas, donde se prueban para una comunicación cuántica segura. [Imagen: Reimpreso con autorización de S. Goswami y S. Dhara, Phys. Aplicación Rev. 20, 024048 (2023), doi: 10.1103/PhysRevApplied.20.024048; copyright 2023 de la Sociedad Estadounidense de Física] [Ampliar imagen]

Teniendo en cuenta todas estas fuentes de pérdida (y algunas otras), Goswami y Dhara simularon numéricamente cómo una cadena de lentes de satélite de retransmisión podría funcionar para transmitir información cuántica en dos escenarios. Uno de ellos es la llamada distribución de entrelazamiento, el protocolo demostrado por investigadores en China en el satélite Micius, en el que los fotones se entrelazan en el espacio y se envían en diferentes direcciones a través de las lentes del satélite, para finalmente transmitirse a estaciones muy separadas en la Tierra y probarse. para la seguridad cuántica.

El otro es un protocolo más simple de “transmisión de qubits”, en el que los bits cuánticos (qubits) simplemente se envían desde una estación terrestre al primer satélite, se transmiten a través de la cadena y finalmente se transmiten a una segunda estación terrestre distante. Un sistema de este tipo requeriría un tipo diferente de diseño óptico para contrarrestar el impacto de las turbulencias en el enlace ascendente del satélite. Sin embargo, Goswami y Dhara creen que este enfoque puede tener ciertas ventajas, ya que mantiene tanto la fuente del qubit como la detección en estaciones terrestres más controlables y mejor equipadas.

En el escenario de distribución de entrelazamiento, el equipo descubrió que la pérdida total de señal a lo largo de 20.000 km sería de alrededor de 30 dB. Esto es comparable a la pérdida experimentada en sólo 200 km de un enlace directo de fibra óptica, suponiendo una tasa de pérdida de 0,15 dB/km en la fibra. (La pérdida por transmisión de qubit, incluida la pérdida por turbulencia en el enlace ascendente, fue superior a 50 dB en 20.000 km, suponiendo que los satélites orbitaran a una altura de 500 km). “Un protocolo de retransmisión óptica basado en satélites de tan baja pérdida”, Goswami y Dhara, "permitiría una comunicación cuántica global multimodo robusta y no requeriría memorias cuánticas ni protocolo repetidor".

"Lo que básicamente hace esta propuesta", observó Goswami en un correo electrónico a OPN, "es que traslada la tarea de crear una red cuántica de la física a la ingeniería". Sin embargo, añadió que parte de la ingeniería probablemente no sería trivial, particularmente con respecto al diseño y desarrollo de los satélites de la flota. Aún así, él y Dhara enfatizan en el artículo que los recientes desarrollos en tecnología espacial, plasmados en vehículos de lanzamiento reutilizables de organizaciones como SpaceX y las vastas constelaciones de satélites de comunicaciones clásicos que varias empresas privadas están lanzando a LEO, hacen que un sistema como ya que su ASQN es considerablemente más factible de lo que hubiera sido en el pasado.

Goswami y Dhara subrayan que los recientes avances en la tecnología espacial hacen que un sistema como su ASQN sea considerablemente más factible de lo que hubiera sido en el pasado.

Goswami dijo a OPN que se necesitaría una cadena de alrededor de 160 satélites para cubrir la distancia completa de 20.000 kilómetros modelada en el documento. Señaló que una cadena única de este tipo cubriría la mayor parte del mundo cada tres días, por lo que, dijo Goswami, “incluso una sola cadena puede usarse para conectar muchos lugares en diferentes momentos”. Pero una red 2D más grande, que permita comunicaciones cuánticas ininterrumpidas en todo el mundo, requeriría decenas de miles de nuevos satélites.

Goswami y Dhara creen que, al prescindir de la necesidad de memoria o repetidores cuánticos, el esquema que han propuesto y modelado podría abrir una gama de posibilidades implícitas en una red cuántica. Estas perspectivas incluyen la comunicación segura mediante la distribución de claves cuánticas y la detección cuántica de precisión a larga distancia.

Sin embargo, los investigadores admiten que una red más compleja (es decir, la visión a largo plazo de una "Internet cuántica" que ahora se está desarrollando en una variedad de laboratorios de investigación) aún requeriría algún tipo de memoria cuántica para garantizar una transmisión completamente sin pérdidas. . Aun así, Goswami y Dhara sostienen que, al eliminar la pérdida por difracción, su configuración relajaría algunos de los requisitos de eficiencia más estrictos de la memoria cuántica necesaria. Por lo tanto, escriben, ciertas configuraciones de su ASQN no solo podrían servir para construir una red cuántica en órbita, sino que también podrían resultar "otro candidato interesante para implementar la Internet cuántica".

Corrección, 28 de agosto de 2023, 07:45 EDT:Esta historia se actualizó para aclarar varios detalles del modelo y observar la diferencia en la pérdida total calculada entre los dos escenarios de comunicación cuántica probados.

Fecha de publicación: 27 de agosto de 2023