Récord de distancia en la distribución de fotones entrelazados vía satélite

Dibujo20170615 China first quantum communication satellite Micius

En agosto de 2016 China puso en órbita el primer satélite de comunicaciones cuántico (QSS, siglas de Quantum Science Satellite), llamado Mozi (Micius en inglés). Se publica en Science su primer éxito, enviar dos fotones entrelazados a dos estaciones terrestres (dos telescopios) alejados entre sí 1203 km. En las Islas Canarias ya se logró a una distancia de 143 km. Usando fibras ópticas se ha logrado alcanzar los 600 km. Por ello, los científicos chinos han logrado el récord actual de distancia en un experimento de entrelazamiento cuántico.

El satélite Mozi se encuentra en una órbita heliosíncrona a una altitud de unos 600 km y tiene un generador de fotones entrelazados por conversión paramétrica hacia abajo (parametric down-conversion). La luz de un diodo láser a 405 nm, con una anchura de ~160 MHz, se inyecta en un cristal no lineal de KTiOPO4 donde se producen dos fotones a ~810 nm mediante generación de segundo armónico. Como ambos fotones tienen una fuente común, sus polarizaciones están entrelazadas; si uno está polarizado en vertical |V>, el otro lo está en horizontal |H>, y viceversa, pero ignoramos cuál es cuál. Por ello su función de onda común es |ψ> = (|H>1|V>2+|V>1|H>2)/√2. En Tierra se ha realizado un experimento tipo Bell en cuatro configuraciones para confirmar que estos fotones están entrelazados.

La ventaja de usar un satélite para distribuir fotones entrelazados es que las pérdidas debidas a la atmósfera se concentran en los 10 km más próximos a la superficie. Por ello un satélite permite recorrer grandes distancias en Tierra con pérdidas muy bajas. Se han logrado pérdidas de menos de ~82 dB, cuando en fibra óptica en una distancia de 1200 km las pérdidas serían de 1200 × 0,2 dB/km = 240 dB. El artículo es Juan Yin, Yuan Cao, …, Jian-Wei Pan, “Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers,” Science 356: 1140-1144 (16 Jun 2017), doi: 10.1126/science.aan3211 [URL Science], arXiv:1707.01339 [quant-ph]; recomiendo también Gabriel Popkin, “Spooky action achieved at record distance,” Science 356: 1110-1111 (16 Jun 2017), doi: 10.1126/science.356.6343.1110 [URL Science].

[PS 07 Jul 2017] Recomiendo también Sheng-Kai Liao, Wen-Qi Cai, …, Jian-Wei Pan, “Satellite-to-ground quantum key distribution,” arXiv:1707.00542 [quant-ph]. [/PS]

Dibujo20170615 Schematic diagram optical elements sciencemag aan3211_Yin_SM

Tratar de explicar qué es el entrelazamiento cuántico y cómo funcionan los experimentos tipo Bell (en este artículo se han realizado experimentos tipo Clauser–Horne–Shimony–Holt, o CHSH) nos llevaría demasiado lejos. Lo importante es que entre dos fotones entrelazados aparecen correlaciones no locales que no se pueden explicar con una teoría de variables ocultas basada en efectos locales. Los fotones salen del satélite en dos polarizaciones, sean H y V. En los telescopios terrestres dichos fotones se miden en cuatro orientaciones diferentes para la polarización, en concreto (0, π/8), (0, 3π/8), (π/4, π/8) y (π/4, 3π/8). Los resultados de las medidas difieren si los fotones presentan correlaciones locales (clásicas) o no locales (cuánticas).

Dibujo20170615 Space-time diagram and Bell inequality violation sciencemag 356 6343 1140 F5

Como muestra esta figura, las medidas realizadas en Tierra del estado de los fotones no están relacionadas causalmente (los conos de luz de cada fotón no intersectan cuando se realiza la medida). Los resultados para los cuatro esquemas de medida corresponden a los esperados para un experimento tipo CHSH. En concreto, se alcanza una fidelidad de F ≥ 0,87 ± 0,09, cuando para correlaciones clásicas se espera un valor máximo de F = 0,75. Por tanto, se confirma que los fotones están realmente entrelazados entre sí.

Dibujo20170616 quantum communication china micius satellite sciencemag org

En resumen, un pequeño paso para un equipo de chinos, un gran paso para la humanidad en dirección hacia la futura red de internet cuántica vía satélite. El uso de repetidores en superficie tiene un error enorme comparado con el que se logra con repetidores en satélites. Así que, cuando sea necesario cifrar información con protocolos cuánticos, este tipo de comunicación cuántica vía satélite se convertirá en algo normal para todo el mundo. Quedan décadas, pero el futuro es imparable.

17 Comentarios

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rafasithrafasith

Al fin entiendo el experimento del entrelaza miento con satélites. Siempre había pensado que se generaban en tierra y nadie me había sacado de ese error y lo había comentado en varios eventos con expertos.
No entendía cómo se podía hacer un experimento de este tipo utilizando el satélite cómo repetidor.
Pero visto que la fuente es el propio satélite la cosa cambia.
Tampoco veo la necesidad de la órbita heliosincrona.

Gracias por el artículo, como siempre.

yaviyavi

Aún estoy tratando de entender bien cómo funciona el experimento pero entiendo su colosal utilidad. Me mojo y digo que, al tener órbita heliosíncrona, una semiórbita siempre cruzará la misma línea sobre el cielo a su paso sobre las estaciones. Así matas varios pájaros de un tiro frente a llevarlo más lejos en órbita geostacionaria, donde el entrelazamiento aún no sería factible, siendo más económico . Aunque quizá sea justo ese el siguiente paso para blindarse frente al espionaje de satélites que hace EEUU. Si @DanielMarin pudiera aclararlo… Gracias @Francis por mantenernos tan bien informados.

Francisco R. Villatoro

Rafasith, la razón de la órbita heliosíncrona es que los fotones enviados por el satélite cuántico son recogidos por dos telescopios terrestres separados miles de kilómetros, y ambos deben trabajar de noche.

rafasithrafasith

Gracias Francis.

Sí ya he visto que los experimento QUESS solo pueden funcionar de noche.
El motivo lo desconozco. Quizás use láser de luz visible.
Pero cualquier órbita con mayor apogeo también serviría para garantizar que ambas estaciones terrenas se encuentran en noche. Y además tendrían más tiempo de conexión entre ambas, ya que la órbita de 500km es muy rápida y el satélite pasa muy brevemente por el campo de visión de las estaciones.
Por cierto he querido profundizar en los enlaces que has puesto y no funcionan.

rafasithrafasith

Otra cosa que me hace pensar es el punto 3 de la última imagen:

“Micius will send one entangled photon to Earth while keeping its mate on board…”

¿Cómo se guarda un fotón en el satélite?
¿dando vueltas en un bucle de fibra óptica? :-)

La verdad es que el experimento es fantástico… Pero imagino que los chinos no darán los detalles técnicos de cómo está construido…

Francisco R. Villatoro

Rafasith, los detalles técnicos están publicados en el artículo y se trata de un experimento estándar, no habiendo nada excepcional en su implementación. El artículo en Science no habla de teletransporte cuántico (que aparece en la figura que mencionas), pero el equipo investigador ya publicó en Nature la propuesta que han implementado en el satélite (la puedes leer aquí).

Francisco R. Villatoro

Al, por ahora, para nada, es un experimento científico (una prueba de concepto). En un futuro, será inspiración para la futura Internet cuántica vía satélites (cifrado cuántico, teletransporte cuántico de información y comunicación entre futuros ordenadores cuánticos).

Pedro MascarósPedro Mascarós

Pero….pero…¿Cómo mantienen el entrelazado interaccionando con la radiación del espacio, la atmósfera, el aire terrestre…??

Francisco R. Villatoro

Pedro, 80 dB de pérdidas significa (más o menos) que de cada 10 millones de fotones solo uno sobrevive a los efectos que mencionas. Basta enviar muchos para resolver este inconveniente menor (se ha realizado una prueba de concepto, en el futuro las pérdidas deberían ser “algo” menores).

Pedro MascarósPedro Mascarós

Y si no es mucho abusar, Francis, porque veo que el artículo del Sciencie es meramente periodístico, al menos hasta donde yo tengo acceso…¿los telescopios miden fotón a fotón o recogen el chorro y utilizan métodos indirectos para llegar a la conclusión de que hay entrelazados?

Francisco R. Villatoro

Pedro, se lee fotón a fotón, pero la mayoría de los enviados se pierde por el camino y no llega; se mide su polarización (deben estar en H o D) en cuatro ejes diferentes y luego de comparan las medidas entre dos estaciones terrestres; la correlación cuántica entre los resultados de dichas medidas (cuando ambas son exitosas) es lo que demuestra que los fotones estaban entrelazados.

Pedro MascarósPedro Mascarós

Gracias. :-)

Bufff, me cuesta de creer, la verdad… madre mía, tengo que hacer un verdadero acto de fe; a lo mejor no es tan difícil, pero me flipa que se pueda leer fotón a fotón desde tan lejos, y además tener los pares relacionados detectados, para confirmar que las medidas demuestran esa correlación. Brutal.

Hector04Hector04

Hola y como podría ser útil si cuando se necesite realizar una aplicación se debe tener una certeza del 100% de que estén entrelazados?

Francisco R. Villatoro

Hector04, en ninguna aplicación en comunicación cuántica se requiere certeza del 100%, nadie diseña protocolos cuánticos imposibles de implementar. De hecho, en los sistemas clásicos de comunicación de datos, tampoco se diseñan así, siempre hay fuentes de ruido y errores, siempre.

Gelbros J3Gelbros J3

A este experimento le tenía echado el ojo desde que se habló de él aquí. Quiero decir, que me llamó especialmente la atención en su día, y me alegra volver a tener noticias de él… Gracias y a seguir atentos.

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