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Experimentos cuánticos a escala espacial

Experimentos cuánticos a escala espacial ( QUESS ; chino :量子科学实验卫星; pinyin : Liàngzǐ kēxué shíyàn wèixīng ; iluminado. '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]

Diseño y desarrollo

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]

Misión

Experimentos cuánticos a escala espacial se encuentra en Asia
Xinglong
Xinglong
Urumqi
Urumqi
Alí
Alí
Viena
Viena
Estaciones terrestres

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]

Lanzamiento

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]

Misión con múltiples cargas útiles

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.

Distribución segura de claves

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]

Análisis

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]

Proyectos similares

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]

Véase también

Referencias

  1. ^ "QSS (Mozi)". space.skyrocket.de . Página espacial de Gunter . Consultado el 17 de agosto de 2016 .
  2. ^ abcdef «QUESS lanzado desde el cosmódromo del desierto de Gobi». Spaceflights.news . 17 de agosto de 2016. Archivado desde el original el 17 de junio de 2017 . Consultado el 17 de agosto de 2016 .
  3. ^ abcdefghi Lin Xing (16 de agosto de 2016). «China lanza el primer satélite de ciencia cuántica del mundo». Physics World . Instituto de Física . Consultado el 22 de noviembre de 2020 .
  4. ^ ab «Se lanza con éxito el primer satélite cuántico». Academia Austriaca de Ciencias . 16 de agosto de 2016. Archivado desde el original el 18 de marzo de 2018. Consultado el 17 de agosto de 2016 .
  5. ^ abc Wall, Mike (16 de agosto de 2016). "China lanza un satélite pionero de comunicaciones cuánticas a prueba de hackers". Space.com . Purch . Consultado el 17 de agosto de 2016 .
  6. ^ "Tiangong2". chinaspacereport.com . China Space Report. 28 de abril de 2017. Archivado desde el original el 17 de mayo de 2018 . Consultado el 12 de noviembre de 2017 .
  7. ^ huaxia (16 de septiembre de 2016). «Tiangong-2 acerca a China un paso más a la estación espacial». chinaspacereport. Archivado desde el original el 17 de mayo de 2018. Consultado el 12 de noviembre de 2017 .
  8. ^ Ren, Ji-Gang; Xu, Ping; Yong, Hai-Lin; Zhang, Liang; Liao, Sheng-Kai; Yin, Juan; Liu, Wei-Yue; Cai, Wen-Qi; Yang, Meng; Li, Li; Yang, Kui-Xing (9 de agosto de 2017). "Teletransportación cuántica tierra-satélite". Naturaleza . 549 (7670): 70–73. arXiv : 1707.00934 . Código Bib :2017Natur.549...70R. doi : 10.1038/naturaleza23675. ISSN  1476-4687. PMID  28825708. S2CID  4468803.
  9. ^ ab Juan Yin; Yuan Cao; Yu-Huai Li; Sheng-Kai Liao; Liang Zhang; Ji-Gang Ren; Wen-Qi Cai; Wei-Yue Liu; Bo Li; Hui Dai; Guang-Bing Li; Qi-Ming Lu; Yun-Hong Gong; Yu Xu; Shuang-Lin Li; Feng-Zhi Li; Ya-Yun Yin; Zi-Qing Jiang; Ming Li; Jian-Jun Jia; Ge Ren; Dong He; Yi-Lin Zhou; Xiao-Xiang Zhang; Na Wang; Xiang Chang; Zhen-Cai Zhu; Nai-Le Liu; Yu-Ao Chen; Chao-Yang Lu; Rong Shu; Cheng-Zhi Peng; Jian-Yu Wang; Jian-Wei Pan (2017). "Distribución de entrelazamientos basada en satélites a lo largo de 1200 kilómetros". Óptica Cuántica . 356 (6343): 1140–1144. arXiv : 1707.01339 . doi :10.1126/science.aan3211. PMID:  28619937. S2CID  : 5206894.
  10. ^ Billings, Lee (23 de abril de 2020). "China rompe récord de "acción fantasmal a distancia" y se prepara para la Internet cuántica". Scientific American .
  11. ^ Popkin, Gabriel (15 de junio de 2017). "El satélite cuántico de China logra una 'acción espeluznante' a una distancia récord". Ciencia - AAAS .
  12. ^ ab huaxia (16 de agosto de 2016). «China Focus: los satélites espaciales de China dan un salto cuántico». Xinhua. Archivado desde el original el 17 de agosto de 2016. Consultado el 17 de agosto de 2016 .
  13. ^ por Jeffrey Lin; PW Singer; John Costello (3 de marzo de 2016). «El satélite cuántico de China podría cambiar la criptografía para siempre». Popular Science . Consultado el 17 de agosto de 2016 .
  14. ^ ab "El lanzamiento de un satélite cuántico por parte de China es un gran paso en la carrera espacial". Associated Press. 16 de agosto de 2016. Archivado desde el original el 27 de octubre de 2016 . Consultado el 17 de agosto de 2016 .
  15. ^ Li, Bo; Cao, Yuan; Li, Yu-Huai; Cai, Wen-Qi; Liu, Wei-Yue; Ren, Ji-Gang; Liao, Sheng-Kai; Wu, Hui-Nan; Li, Shuang-Lin; Li, Li; Liu, Nai-Le (26 de abril de 2022). "Transferencia de estado cuántico a lo largo de 1200 km asistida por entrelazamiento distribuido previo" . Cartas de revisión física . 128 (17): 170501. Código bibliográfico : 2022PhRvL.128q0501L. doi : 10.1103/PhysRevLett.128.170501. ISSN  0031-9007. PMID  35570417. S2CID  248812124.
  16. ^ Tomasz Nowakowski (16 de agosto de 2016). «China lanza al espacio el primer satélite de comunicaciones cuánticas del mundo». Spaceflight Insider . Consultado el 17 de agosto de 2016 .
  17. ^ D. Cohen, Adam (31 de enero de 2019). "Avances en entrelazamiento cuántico ganan el premio AAAS Newcomb Cleveland 2018". Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia .
  18. ^ abc "China lanza un satélite de comunicaciones 'a prueba de hackers'". Reuters . 2016-08-16. Archivado desde el original el 17 de agosto de 2016 . Consultado el 18 de agosto de 2016 .
  19. ^ Edward Wong (16 de agosto de 2016). «China lanza un satélite cuántico en un intento de ser pionera en las comunicaciones seguras». New York Times . Consultado el 19 de agosto de 2016 .
  20. ^ Josh Chin (16 de agosto de 2016). "El último avance de China no es sólo grandioso, es cuántico". Wall Street Journal . Consultado el 19 de agosto de 2016 .
  21. ^ Jeffrey Lin; PW Singer (17 de agosto de 2016). «China lanza un satélite cuántico en busca de comunicaciones inhackeables» . Consultado el 19 de agosto de 2016 .
  22. ^ Lucy Hornby, Clive Cookson (16 de agosto de 2016). «China lanza un satélite cuántico en la batalla contra los piratas informáticos» . Consultado el 19 de agosto de 2016 .
  23. ^ ab Elizabeth Gibney (27 de julio de 2016). «El satélite chino es un paso gigante para la Internet cuántica». Nature . 535 (7613): 478–479. Bibcode :2016Natur.535..478G. doi : 10.1038/535478a . PMID  27466107.
  24. ^ Gunthner, Kevin; Khan, Imran; Elser, Dominique; Más quieto, Birgit; Bayraktar, Ömer; Müller, Christian R; Saucke, Karen; Trondle, Daniel; Heine, Frank; Seel, Stefan; Greulich, Peter; Zech, Herwig; Gütlich, Björn; Philipp-May, Sabine; Marquardt, Christoph; Leuchs, Gerd (2017). "Medidas cuánticas limitadas de señales ópticas de un satélite geoestacionario". Óptica . 4 (6): 611–616. arXiv : 1608.03511 . Código Bib : 2017 Óptica...4..611G. doi :10.1364/OPTICA.4.000611. S2CID  15100033.
  25. ^ "El cifrado cuántico potenciará la autonomía europea". ESA . ​​22 de septiembre de 2022.

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