¿Cuántos satélites se necesitarían para construir Quantum Internet?

• La Internet cuántica basada en el espacio superaría sustancialmente a las redes terrestres de repetidores cuánticos.
• La construcción de una Internet cuántica a escala global requeriría colocar más de 400 satélites a una altitud de 1,900 millas.

La aplicación más útil de la mecánica cuántica es la capacidad de realizar una comunicación segura a través de la distribución de claves cuánticas. La Internet cuántica, que es un sueño para muchos tecnólogos, permitiría la ejecución de otras tareas de procesamiento de información cuántica, incluida la sincronización del reloj cuántico, la teletransportación cuántica y la metrología y la detección cuánticas distribuidas.

Esto significa que la Internet cuántica puede proteger todo, desde mensajes privados y contratos hasta transacciones financieras. Y dado que las próximas computadoras cuánticas podrán descifrar los algoritmos de cifrado existentes, este tipo de seguridad será necesaria.

Pero construir una Internet cuántica a escala global es un duro desafío experimental. Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Louisiana presentó el método más rentable para hacer esto.

Implica la creación de una constelación de satélites con capacidad cuántica que pueden transmitir continuamente fotones entrelazados al suelo. Las dos preguntas más básicas que surgen al considerar un enfoque de este tipo son:

1) ¿Cuántos satélites se necesitan para lograr una cobertura global que supere a las configuraciones de repetidores cuánticos terrestres?

2) ¿A qué altitud deberían colocarse estos satélites?

Primero, algunos antecedentes

La característica más importante de dicha red es el entrelazamiento cuántico, un fenómeno en el que dos partículas cuánticas comparten la misma existencia, incluso cuando están separadas por una gran distancia. Las partículas enredadas permanecen conectadas y las acciones realizadas en una afectan a la otra.

Los científicos utilizan principalmente pares de fotones (creados en el mismo instante) para distribuir el entrelazamiento. Cuando envía fotones a diferentes ubicaciones, puede utilizar su enredo para enviar mensajes seguros.

Sin embargo, el entrelazamiento (que conecta fotones) es extremadamente frágil y difícil de preservar. Incluso una pequeña interacción entre el fotón y su entorno podría romper la conexión.

Esto suele ser lo que sucede al transmitir fotones entrelazados directamente a través de fibras ópticas o la atmósfera. Estos fotones interactúan con otros átomos del vidrio o la atmósfera. Con la tecnología existente, el entrelazamiento se puede compartir solo unos cientos de millas.

Entonces, ¿cómo construir una Internet cuántica?

Hay dos opciones:la primera consiste en utilizar dispositivos llamados repetidores cuánticos que evalúan las características cuánticas tan pronto como llegan y las transmiten a los nuevos fotones que se envían en su camino. Aunque podría preservar el enredo, la técnica es propensa a errores y puede llevar varios años implementarla.

La segunda opción implica crear pares de fotones entrelazados en el espacio y transmitirlos a dos estaciones terrestres en diferentes ubicaciones. Las estaciones podrán intercambiar información con perfecto secreto.

China ya ha realizado experimentos cuánticos a escala espacial. En 2016, lanzaron un satélite llamado Micius para facilitar los experimentos de óptica cuántica a largas distancias.

En tales escenarios basados ​​en satélites, los fotones cubren solo las últimas 13 millas de su viaje a través de la atmósfera. Por lo tanto, pueden viajar mucho más lejos (dado que el satélite no está demasiado cerca del horizonte).

Referencia:arXiv:1912.06678

Según los investigadores, una red similar de satélites (si se implementa a gran escala) crearía una Internet cuántica global más eficiente. Para enviar / recibir información de forma segura, dos estaciones terrestres deben comunicarse con el mismo satélite en el mismo instante para que ambas estaciones reciban fotones entrelazados del satélite.

Minimizar recursos

La construcción y el lanzamiento de satélites cuesta millones de dólares, por lo que es importante mantener el número de satélites lo más bajo posible en la red sin comprometer la cobertura.

Los investigadores modelaron una red de este tipo y descubrieron que hay algunas compensaciones cruciales a considerar. Por ejemplo, menos satélites colocados en altitudes más altas pueden proporcionar una cobertura global, pero podría resultar en mayores pérdidas de fotones. Considerando que, los satélites en altitudes más bajas solo pueden cubrir distancias más cortas entre estaciones terrestres.

Según el equipo de investigación, el mejor compromiso sería una red de unos 400 satélites volando a una altitud de 1.900 millas. Para poner esto en perspectiva, el GPS tiene 24 satélites que operan a una altitud de 12,500 millas.

Sin embargo, la distancia máxima entre dos estaciones terrestres seguirá estando limitada a 4,700 millas. Esto significa que dicha red podría admitir comunicaciones seguras entre Nueva York y Londres (a 3.459 millas de distancia), pero no entre Houston y Londres (a 4.846 millas de distancia).

A pesar de este gran inconveniente, la Internet cuántica basada en el espacio superaría sustancialmente a las redes terrestres de repetidores cuánticos (donde se debe instalar un repetidor cada 120 millas).

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Aunque las redes híbridas que interactúan con plataformas de comunicación cuántica basadas en el espacio con repetidores cuánticos terrestres pueden convertir esta visión en realidad.