¿Cuántos satélites se necesitan para lanzar una internet cuántica global?

La internet cuántica basada en el espacio superaría sustancialmente a las redes terrestres de repetidores cuánticos. Construir una internet cuántica a escala global requeriría colocar más de 400 satélites a una altitud de 3.000 kilómetros (aproximadamente 1.900 millas).

La promesa de la internet cuántica

La aplicación más útil de la mecánica cuántica es la capacidad de realizar comunicaciones seguras mediante distribución de claves cuánticas. La internet cuántica —un sueño para muchos tecnólogos— permitiría ejecutar otras tareas de procesamiento de información cuántica, como la sincronización de relojes cuánticos, la teleportación cuántica y la metrología y detección cuántica distribuida.

Esto significa que la internet cuántica puede asegurar todo, desde mensajes y contratos privados hasta transacciones financieras. Y dado que las próximas computadoras cuánticas podrán descifrar los algoritmos de cifrado actuales, este tipo de seguridad se volverá necesaria.

El desafío de la cobertura global

Pero construir una internet cuántica a escala global es un desafío experimental formidable. Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Luisiana presentó el método más rentable para lograrlo.

Consiste en crear una constelación de satélites habilitados cuánticamente que puedan transmitir continuamente fotones entrelazados a la Tierra. Surgen dos preguntas fundamentales al considerar este enfoque:

1. ¿Cuántos satélites se requieren para lograr una cobertura global que supere las configuraciones terrestres de repetidores cuánticos?
2. ¿A qué altitud deben colocarse estos satélites?

Antecedentes: el entrelazamiento cuántico

La característica más importante de tal red es el entrelazamiento cuántico —un fenómeno donde dos partículas cuánticas comparten la misma existencia, incluso cuando están separadas por grandes distancias. Las partículas entrelazadas permanecen conectadas y las acciones realizadas sobre una afectan a la otra.

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

Sin embargo, el entrelazamiento (que conecta a los fotones) es extremadamente frágil y difícil de preservar. Incluso una mínima interacción entre el fotón y su entorno podría romper la conexión. Esto es lo que suele ocurrir al transmitir fotones entrelazados directamente a través de fibras ópticas o la atmósfera. Estos fotones interactúan con otros átomos en el vidrio o la atmósfera. Con la tecnología actual, el entrelazamiento solo puede compartirse a unos pocos cientos de kilómetros.

¿Cómo construir una internet cuántica?

Existen dos opciones: la primera implica el uso de dispositivos llamados repetidores cuánticos que evalúan las características cuánticas tan pronto como llegan y las transmiten a nuevos fotones que continúan su camino. Aunque podría preservar el entrelazamiento, la técnica es propensa a errores y puede tardar varios años en implementarse.

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 secreto perfecto.

China ya ha realizado experimentos cuánticos a escala espacial. En 2016, lanzó un satélite llamado Micius para facilitar experimentos de óptica cuántica a larga distancia.

En estos escenarios basados en satélites, los fotones recorren solo los últimos 20 kilómetros de su viaje a través de la atmósfera. Así pueden viajar mucho más lejos (dado que el satélite no está demasiado cerca del horizonte).

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 al mismo instante para que ambas reciban fotones entrelazados del satélite.

Minimizando recursos

Construir y lanzar 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 dicha red y encontraron que hay algunas compensaciones cruciales que considerar. Por ejemplo, menos satélites colocados a mayor altitud pueden proporcionar cobertura global, pero podría resultar en mayores pérdidas de fotones. Mientras que los satélites a 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 3.000 kilómetros. Para poner esto en perspectiva, el GPS tiene 24 satélites operando a una altitud de 20.000 kilómetros.

Sin embargo, la distancia máxima entre dos estaciones terrestres seguirá limitada a 7.500 kilómetros. Esto significa que tal red podría soportar comunicaciones seguras entre Nueva York y Londres (5.500 km de distancia), pero no entre Houston y Londres (7.800 km de distancia).

A pesar de esta gran desventaja, la internet cuántica basada en el espacio superaría sustancialmente a las redes terrestres de repetidores cuánticos (donde se debe instalar un repetidor cada 200 kilómetros).

Aunque las redes híbridas que interconectan plataformas de comunicación cuántica espacial con repetidores cuánticos terrestres pueden hacer realidad esta visión.