El satélite chino Mozi logra un nuevo récord, la distribución cuántica de claves a 1120 km

Por Francisco R. Villatoro, el 17 junio, 2020. Categoría(s): Ciencia • Nature • Noticias • Science ✎ 2

En agosto de 2016 China puso en órbita el primer satélite de comunicaciones cuántico, Mozi (Micius en inglés). Su objetivo era la distribución cuántica de claves entre dos telescopios en la superficie de la Tierra separados 1200 km. En junio de 2017 logró la distribución de dos fotones entrelazados en 1203 km. Se publica en Nature  su nuevo récord, la distribución cuántica de una clave a 0.12 bits por segundo entre dos telescopios terrestres separados 1120 km. ¿Por qué no se han logrado alcanzar los deseados 1200 km? Porque se han tenido que usar nuevos telescopios de muy alta eficiencia y con una óptica de seguimiento mejorada. A pesar de los 83 km que faltan, el nuevo récord prueba que el futuro de la internet cuántica está en una red global de satélites de comunicaciones cuánticos.

El proyecto chino QUESS (Quantum Experiments at Space Scale) tiene como estrellas mediáticas al satélite Mozi, liderado por Feihu Xu, Cheng-Zhi Peng y Jian-Wei Pan, y a un experimento instalado en la pequeña estación espacial Tiangong-2, el segundo Laboratorio Espacial de China. Este proyecto está logrando publicar gran número de récords en las revistas más prestigiosas. Ya publicó la distribución cuántica de una clave a 1200 km entre el satélite y una estación en tierra en Nature (9 agosto 2017); por cierto, el nuevo récord se refiere a la distribución de la clave entre dos estaciones en tierra gracias a un protocolo que usa al satélite. El entrelazamiento cuántico entre dos fotones separados 1203 km se publicó en Science (16 junio 2017). Un protocolo de teletransporte cuántico a 1400 km en Nature (9 agosto 2017). Incluso han publicado estudios de ciencia básica, como su primer estudio del efecto de la gravedad sobre la decoherencia cuántica publicado en Science (04 oct 2019). Aunque su mayor interés es tecnológico, como la transferencia segura mediante un protocolo cuántico de un sello de tiempo (timestamp) se acaba de publicar en Nature Physics (11 may 2020).

China se ha adelantado, pero le siguen los pasos otras agencias espaciales, como ESA y NASA. Además, hay muchas iniciativas privadas en tecnologías cuánticas para el espacio, como la de Speqtral (disfruté mucho hablando con Antia Lamas-Linares sobre esta iniciativa en Braga, Portugal). El nuevo artículo es Juan Yin, …, Artur K. Ekert, Jian-Wei Pan, «Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres,» Nature 582: 501-505 (15 Jun 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2401-y. [PS 24 Jun 2020] Más información en Eleni Diamanti, «A step closer to secure global communication,» Nature 582: 494-495 (22 Jun 2020), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-01779-7.  [/PS]

También cito a Juan Yin, Yuan Cao, …, Jian-Wei Pan, «Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers,» Science 356: 1140-1144 (16 Jun 2017), doi: https://doi.org/10.1126/science.aan3211; Ji-Gang Ren, Ping Xu, …, Jian-Wei Pan, «Ground-to-satellite quantum teleportation,» Nature 549: 70-73 (09 Aug 2017), doi: https://doi.org/10.1038/nature23675; Sheng-Kai Liao, Wen-Qi Cai, …, Jian-Wei Pan, «Satellite-to-ground quantum key distribution,» Nature 549: 43-47 (09 Aug 2017), doi: https://doi.org/10.1038/nature23655; Ping Xu, Yiqiu Ma, …, Jian-Wei Pan, «Satellite testing of a gravitationally induced quantum decoherence model,» Science 366: 132-135 (04 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.1126/science.aay5820; Hui Dai, Qi Shen, …, Jian-Wei Pan, «Towards satellite-based quantum-secure time transfer,» Nature Physics (11 May 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-020-0892-y.

Para quienes prefieran un buen resumen recomiendo Robert Bedington, Juan Miguel Arrazola, Alexander Ling, «Progress in satellite quantum key distribution,» npj Quantum Information 3: 30 (09 Aug 2017), doi: https://doi.org/10.1038/s41534-017-0031-5; Christoph Simon, «Towards a global quantum network,» Nature Photonics 11: 678-680 (31 Oct 2017), doi: https://doi.org/10.1038/s41566-017-0032-0.

En este blog también puedes leer «Récord de distancia en la distribución de fotones entrelazados vía satélite», LCMF, 15 jun 2017; «Nuevos logros chinos en comunicación cuántica vía satélite», LCMF, 10 ago 2017; «El teletransporte cuántico vía satélite», LCMF, 06 dic 2012;

Para quien conozca la distribución cuántica de claves (QKD), su implementación usando satélites no ofrecerá ninguna dificultad. Esta figura ilustra el esquema de forma simplificada. (a) El satélite comparte la clave secreta KA con la estación terrestre A mediante un protocolo estándar (que obviamente requiere la transmisión de información tanto clásica como cuántica entre ambos). (b) El satélite repite el protocolo con la clave secreta KB y la estación terrestre B (separada a 1120 km de la A). El satélite almacena ambas claves, pero cada estación solo almacena la suya. Finaliza el protocolo en (c), cuando el satélite hace público el resultado de la paridad de la operación KA ⊕ KB, lo que permite a la estación B determinar la clave KA y enviar un mensaje cifrado con dicha clave a la estación A.

En el nuevo artículo ha implantado el protocolo BBM92 de QKD, en el que Alice y Bob ejecutan las mismas medidas cuánticas con sus respectivos fotones. Así se usan instalaciones gemelas en los dos observatorios terrestres situados en Delingha (3153 m) y Nanshan (2028 m), ambos en la provincia de Xinjiang, China; el satélite Mozi es el intermediario entre ambos. Para mejorar la eficiencia, se han usado dos nuevos telescopios con un diámetro de 1.2 m, que usan elementos ópticos diseñados de forma específica para experimentos de distribución de fotones entrelazados. Mozi cuenta con una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización generados por conversión óptica descendente a 810 nm (se hace incidir un láser a 405 nm sobre un cristal no lineal en un interferómetro de Sagnac); quienes necesiten saber más pueden consultar «La producción de pares de fotones entrelazados», LCMF, 10 ene 2013. La potencia del láser es de 30 mW, lo que permite distribuir 5.9 millones de fotones entrelazados por segundo.

Los fotones son recogidos por los telescopios en las estaciones en tierra; la eficiencia de detección es del 53 % y el ruido de fondo (dark counts) es menor de 100 fotones por segundo. Hay muchos detalles técnicos que son claves en el logro publicado en Nature (recomiendo consultar el artículo a los interesados en dichos detalles). Quizás lo más destacable es que se requiere una sincronización precisa; se ha logrado una sincronización temporal de 0.77 ns al 68.5 % C.L. entre ambos fotones entrelazados. Para evitar coincidencias espurias se ha usado una ventana de coincidencia de 2.5 ns.

El satélite Mozi tiene una órbita heliosíncrona, una órbita geocéntrica con la altitud e inclinación adecuada para pasar sobre cierta latitud terrestre a una hora solar fija. En concreto, Mozi es visible desde Delingha y Nanshan cada noche a las 02:00 AM (hora de Pekín) durante una ventana de 285 segundos (con una elevación en el cielo mayor de 13º para ambas estaciones terrestres). Esta figura muestra la distancia de Mozi sobre ambas estaciones terrestres, así como la atenuación de la señal, siempre entre 56 dB y 71 dB. Así se ha logrado un incremento en un factor de dos en la eficiencia de detección de fotones respecto a los experimentos de 2017. Por supuesto, hay muchos factores influyen de forma negativa en el experimento, como la meteorología. Así se descartaron los resultados en los que las condiciones meteorológicas no eran óptimas.

Se verificó el entrelazamiento mediante un experimento tipo Bell (en concreto, usando la desigualdad S < 2 de CHSH, por Clauser–Horne–Shimony–Holt). En 1021 intentos en una distancia de 1120 km durante un tiempo efectivo de 226 segundos se observó un parámetro S = 2.56 ± 0.07, que incumple la desigualdad S < 2 en 8 sigmas (desviaciones estándares). En el experimento QKD se lograron 6208 coincidencias durante un tiempo efectivo de 3100 segundos; descartando las coincidencias que no superan ciertos requisitos de calidad, se estima que se enviaron 3100 bits útiles para codificar la clave, de los que solo unos 140 bits eran erróneos. Por supuesto, se tuvo que usar un algoritmo de corrección de errores para asegurar el envío de la clave privada que tenía 372 bits. Así se estima una tasa de envío de 0.12 bps (bits por segundo).

Obviamente, como prueba de concepto, el resultado es muy relevante. Sin embargo, desde el punto de vista práctico queda mucho trabajo pendiente para alcanzar la calidad suficiente para una aplicación comercial. El proyecto QUESS tiene una financiación de unos cien millones de dólares. Sin lugar a dudas, dentro de unas décadas habrá una internet cuántica desplegada gracias a una gran cantidad de satélites de comunicaciones cuánticas. Pero su uso no será generalizado hasta la segunda mitad del siglo XXI. La internet vía satélite puede que tenga detractores, pero la internet cuántica vía satélite será la única opción viable. Así la internet cuántica es el nicho de las tecnologías cuánticas en el espacio.



2 Comentarios

  1. Seguramente se solventaría la distorsión en el receptor, aumentando la potencia del emisor de pares de fotones y/o reduciendo el diámetro de cada uno de los conos de dispersión.

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