Experimentos cuánticos a escala espacial ( QUESS ; chino :量子科学实验卫星; pinyin : Liàngzǐ kēxué shíyàn wèixīng ; lit. 'Satélite de experimentos de ciencia cuántica') es un proyecto de investigación chino en el campo de la física cuántica. QUESS se lanzó el 15 de agosto de 2016.
El proyecto consiste en el satélite Micius , o Mozi ( chino :墨子), en honor al antiguo filósofo chino, operado por la Academia China de Ciencias , así como estaciones terrestres en China. La Universidad de Viena y la Academia Austriaca de Ciencias están operando las estaciones receptoras europeas del satélite. [4] [5] El satélite realizó experimentos de distribución de clave cuántica espacio-tierra ( chino :量子密钥分发), facilitados por el experimento de comunicaciones láser realizado en el módulo de laboratorio espacial Tiangong-2 . [6] [7]
QUESS es una misión de prueba de concepto diseñada para facilitar experimentos de óptica cuántica a largas distancias para permitir el desarrollo de cifrado cuántico y tecnología de teletransportación cuántica . [8] [9] [10] [11] [5] El cifrado cuántico utiliza el principio de entrelazamiento para facilitar la comunicación que puede detectar absolutamente si un tercero ha interceptado un mensaje en tránsito, negando así el descifrado no detectado . Al producir pares de fotones entrelazados , QUESS permitirá que estaciones terrestres separadas por muchos miles de kilómetros establezcan canales cuánticos seguros . [3] QUESS en sí tiene capacidades de comunicación limitadas: necesita línea de visión y solo puede operar cuando no está bajo la luz del sol. [12]
Se planea construir más satélites Micius, incluida una red global para 2030. [12] [13]
El costo total de la misión fue de alrededor de 100 millones de dólares. [2]
El experimento inicial demostró la distribución de claves cuánticas (QKD) entre el Observatorio Astronómico de Xinjiang cerca de Ürümqi y el Observatorio Xinglong cerca de Beijing , una distancia de círculo máximo de aproximadamente 2500 kilómetros (1600 mi). [3] Además, QUESS probó la desigualdad de Bell a una distancia de 1200 km (750 mi), más lejos que cualquier experimento hasta la fecha, y teletransportó un estado de fotón entre el Observatorio Shiquanhe en Ali , Región Autónoma del Tíbet , y el satélite. [3] Esto requiere maniobras orbitales muy precisas y seguimiento satelital para que las estaciones base puedan mantener la línea de visión con la nave. [3] [14] En 2021, se demostró la teletransportación completa del estado cuántico a más de 1200 km (750 mi) en el suelo, basándose en el entrelazamiento distribuido por el satélite. [15]
Una vez concluidos los experimentos en China, QUESS creó un canal QKD internacional entre China y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Viena (Austria), una distancia terrestre de 7500 km (4700 mi), lo que permitió la primera videollamada cuántica segura intercontinental en 2016. [3] [4]
El lanzamiento estaba previsto inicialmente para julio de 2016, pero se reprogramó para agosto, y la notificación del lanzamiento se envió solo unos días antes. [16] La nave espacial fue lanzada por un cohete Long March 2D desde la plataforma de lanzamiento 603 de Jiuquan , área de lanzamiento 4, el 17 de agosto de 2016, a las 17:40 UTC (01:40 hora local). [2]
El lanzamiento fue una misión de carga útil múltiple compartida con QUESS, el satélite de investigación LiXing-1 y el satélite científico español ³Cat-2.
El instrumento principal a bordo del QUESS es un interferómetro de " efecto Sagnac " . [3] Este es un dispositivo que genera pares de fotones entrelazados, lo que permite que uno de cada uno se transmita a tierra. Esto permitirá que QUESS realice una distribución de clave cuántica (QKD), la transmisión de una clave criptográfica segura que se puede usar para cifrar y descifrar mensajes, a dos estaciones terrestres. La QKD teóricamente ofrece una comunicación verdaderamente segura. En la QKD, dos partes que desean comunicarse comparten una clave secreta aleatoria transmitida mediante pares de fotones entrelazados enviados con polarización aleatoria , y cada parte recibe la mitad del par. Esta clave secreta puede usarse como un bloc de notas de un solo uso , lo que permite que las dos partes se comuniquen de forma segura a través de canales normales. Cualquier intento de espiar la clave perturbará el estado entrelazado de una manera detectable. [13] La QKD se ha intentado en la Tierra, tanto con línea de visión directa entre dos observatorios como utilizando cables de fibra óptica para transmitir los fotones. Sin embargo, tanto la fibra óptica como la atmósfera provocan dispersión, lo que destruye el estado entrelazado y limita la distancia a la que se puede realizar la QKD. El envío de las claves desde un satélite en órbita produce una menor dispersión, lo que permite realizar la QKD a distancias mucho mayores. [3]
Además, QUESS podría poner a prueba algunos de los fundamentos básicos de la mecánica cuántica . El teorema de Bell dice que ninguna teoría local de variables ocultas puede reproducir las predicciones de la física cuántica, y QUESS pudo poner a prueba el principio de localidad a lo largo de 1200 km (750 mi). [9] [3]
El experimento de distribución de claves cuánticas ganó el Premio Newcomb Cleveland de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS) en 2018 por su contribución a sentar las bases para las redes de comunicación ultraseguras del futuro. [17]
El científico principal de QUESS, Pan Jianwei, dijo a Reuters que el proyecto tiene "enormes perspectivas" en la esfera de la defensa. [18] El satélite proporcionará comunicaciones seguras entre Pekín y Ürümqi, capital de Xinjiang , la remota región occidental de China. [18] El Departamento de Defensa de Estados Unidos cree que China tiene como objetivo lograr la capacidad de contrarrestar el uso de tecnología espacial enemiga. [18] El secretario general del Partido Comunista Chino, Xi Jinping, ha priorizado el programa espacial de China, que ha incluido pruebas de misiles antisatélite , y el New York Times señaló que la tecnología cuántica era un foco del decimotercer plan quinquenal , que el gobierno de China estableció a principios de ese año. [19] El Wall Street Journal dijo que el lanzamiento puso a China por delante de sus rivales y los acercó a las "comunicaciones a prueba de piratas informáticos". [20] Varios medios identificaron la filtración de documentos de vigilancia estadounidenses de Edward Snowden como un impulso para el desarrollo de QUESS, y Popular Science lo llamó "un satélite para la era posterior a Snowden". [14] [21] [22]
QUESS es la primera nave espacial lanzada capaz de generar fotones entrelazados en el espacio, [5] aunque la transmisión de fotones individuales a través de satélites se ha demostrado anteriormente al reflejar fotones generados en estaciones terrestres fuera de satélites en órbita. [23] Si bien no genera fotones completamente entrelazados, se han producido pares de fotones correlacionados en el espacio utilizando un cubesat por la Universidad Nacional de Singapur y la Universidad de Strathclyde . [23] Un consorcio alemán ha realizado mediciones cuánticas de señales ópticas desde la Terminal de Comunicación Láser Alphasat geoestacionaria . [24] La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA) lanzó el proyecto de comunicaciones cuánticas macroscópicas Quiness para catalizar el desarrollo de una Internet cuántica global de extremo a extremo en 2012.
En 2024, la ESA tiene previsto lanzar el satélite de distribución de claves cuánticas Eagle-1, con un objetivo similar al del satélite chino QUESS. Formará parte del desarrollo y despliegue de la Infraestructura Europea de Comunicación Cuántica (EuroQCI). [25]
