Se llaman satélites cuánticos a los que incorporan tecnologías de comunicaciones cuánticas para enviar y recibir fotones entrelazados. Por analogía, se llaman drones cuánticos a los que también las incorporan. Se publica en Physical Review Letters la primera demostración de esta tecnología con más de un dron; en concreto, usando dos drones se ha logrado distribuir fotones entrelazados entre dos estaciones terrestres separados una distancia de un kilómetro. Para verificar que los fotones están entrelazados se ha usado una desigualdad de Bell de tipo CHSH, alcanzando un parámetro S = 2.59 ± 0.11, que incumple a 5.4 sigmas que S < 2, la predicción para una teoría clásica local de variables ocultas. Sin lugar a dudas los drones cuánticos tienen un futuro muy prometedor para el despliegue de la futura internet cuántica en ciertos entornos; allí se usarán nodos de diversos tipos, como satélites cuánticos, aviones cuánticos, telescopios cuánticos y líneas cuánticas de fibra óptica.
En el nuevo experimento se usan dos drones (octocópteros) y dos telescopios terrestres. Un dron genera una pareja de fotones entrelazados, uno de los cuales se envía a una estación en tierra situada a 400 metros y el otro se envía al otro dron situado a 200 metros, que lo redirige hacia otra estación en tierra situada a 400 metros. Así se implementa el protocolo cuántico entre las dos estaciones en tierra separadas por un kilómetro (una distancia muy corta comparada con la que se logra con satélites cuánticos). La aplicación más obvia para esta tecnología es el cifrado cuántico (también llamado criptografía cuántica); en concreto, el intercambio de claves cuánticas con la máxima seguridad posible, es decir, con la capacidad de detectar cualquier posible intruso. Desplegar un enjambre de drones permite usar un canal de comunicaciones abierto para transferir claves sin temor a los espías en un entorno abierto donde el uso de satélites o de estaciones fijas no sea apropiado. Además, los drones son mucho más baratos que los satélites.
El artículo es Hua-Ying Liu, Xiao-Hui Tian, …, Shi-Ning Zhu, «Optical-Relayed Entanglement Distribution Using Drones as Mobile Nodes,» (15 Jan 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.020503; más información divulgativa en Michael Schirber, «Quantum Drones Take Flight,» APS Physics 14: 7 (15 Jan 2021), https://physics.aps.org/articles/v14/7. Un artículo previo usando un solo dron cuántico es Hua-Ying Liu, Xiao-Hui Tian, …, Shi-Ning Zhu, «Drone-based entanglement distribution towards mobile quantum networks,» National Science Review 7: 921-928 (03 Jan 2020), doi: https://doi.org/10.1093/nsr/nwz227.
El desarrollo de drones cuánticos ha sido posible gracias a la reducción en tamaño y peso de los sistemas de comunicaciones cuánticas; en concreto, las fuentes de fotones entrelazados en polarización, los detectores de un solo fotón y los telescopios ópticos de alta calidad pero de muy pequeño tamaño. ¿Para qué quiere alguien desplegar una red de internet cuántica para compartir claves privadas con la máxima seguridad? La aplicación más obvia a corto plazo está en el campo militar y en espionaje, pero a medio y largo plazo permitirá el uso de esta tecnología en ambientes rurales y regiones con muy baja densidad de población donde las estaciones terrestres sean escasas.
El factor que más limita las comunicaciones no guiadas en espacio abierto es la difracción del haz de fotones; para reducirla hay que buscar un compromiso entre la apertura del haz y la distancia del enlace. En el nuevo artículo se usan telescopios de 26.4 mm, lo que limita la distancia máxima entre drones a unos 200 metros, y la distancia máxima entre los drones y las estaciones en tierra a unos 400 metros; estas distancias permiten pérdidas por difracción aceptables y están dentro de la distancia máxima posible dada por el límite de Rayleigh que se estima en 676 m. Para alcanzar distancias más grandes se requiere usar redes de múltiples drones intermedios entre las estaciones en tierra; estos drones intermedios no necesitan tener un sistema completo de generación de fotones entrelzados, pues basta que actúen como nodos relé (relay nodes); en dicho caso, una fibra monomodo (SMF por Single-Mode-Fiber) que retrase la emisión del fotón mientras se realiza una colimación y un cambio de la forma del frente de onda del paquete de fotones que compense el efecto de la difracción.
En el nuevo artículo solo se presenta un prototipo muy sencillo de una red de múltiples drones. Se conectan dos estaciones en tierra, llamadas Alice (A) y Bob (B), separadas por 1 km de distancia usando dos drones intermedios; el detector de Alice registra el 25 % de los fotones que recibe del primer dron situado a unos 200 m, mientras que el detector de Bob registra el 4 % de los fotones que recibe desde el otro dron situado a 400 m (a unos 400 m del otro dron). Así se combinan enlaces dron-a-dron de hasta 200 metros y dron-a-tierra de hasta 400 metros; en tierra el sistema de recepción tiene un error de seguimiento de 0.589 en 400 metros, que en vuelo se incrementa a 0.670 μm para los enlaces dron-a-tierra en 400 metros y a 0.697 μm para los enlaces dron-a-dron en 200 metros.
El sistema cuántico compacto se denomina APT (siglas de Acquisition, Pointing, and Tracking); el componente principal es la fuente de pares de fotones entrelazados que se denomina AEPS (Airborne Entangled Photon Source). La fuente última de los fotones es un láser de bombeo con una longitud de onda de 405.0 nm; en una configuración tipo interferómetro de Sagnac se inyectan los fotones en un cristal óptico no lineal para su conversión paramétrica espontánea a la baja a dos fotones entrelazadas con 810.0 nm; el cristal es de tipo KTP (KTiOPO₄) periódicamente pulido (PPKTP), lo que permite alcanzar una tasa de producción de fotones de 5 × 10⁵ Hz/mW. La notación en la figura es estándar: VHG es una rejilla de Bragg para holografía de volumen, LD es un diodo láser, DM es un espejo dicroico, ISO es un aislador óptico, LPF es un filtro paso bajo, M es un espejo, QWP es una placa de cuarto de onda, C es un colimador, CMOS es un dispositivo semiconductor, FSM es un espejo de seguimiento rápido, y OAPM es un espejo parabólico fuera de eje.
Los drones de tipo octocóptero que se usan en el experimento tiene un peso máximo al despegue (MTOW por Maximum Take-Off Weight) de 35 kg, lo que les permite una autonomía de 40 min de tiempo de vuelo. El sistema cuántico usado en los experimentos es muy compacto y de bajo peso: el sistema AEPS pesa 468 gramos, el telescopio y el sistema de guiado rápido pesan 3.5 kg y las 10 baterías de litio que lo alimentan con 24000 mAh pesan unos 4.3 kg; como el dron tiene que llevar dos telescopios, el peso total que debe llevar es de 11.8 kg (3.5×2+4.3+0.468). Futuros avances en estas tecnologías permitirán reducir este peso e incrementar el número de APT por dron.
En resumen, me ha resultado curiosa la idea de usar drones cuánticos combinados con satélites y vehículos aéreos no tripulados (UAV por Unmanned Aerial Vehicle). Por supuesto, lo más relevante de este nuevo trabajo es cómo están bajando de peso y mejorando en prestaciones los sistemas ópticos para el procesado cuántico de información. Cuesta trabajo maginar en un dron lo que uno ha observado en una mesa óptica dotada de sistemas de amortiguamiento y filtros paso-bajo neumáticos para reducir las vibraciones; pero así es el progreso de las tecnologías cuánticas.