Satélites cuánticos: una tecnología destinada a cambiar el mundo

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Si te gusta estar al tanto de la actualidad tecnológica, seguro que has oído hablar de los satélites cuánticos.

El término saltó a la palestra comunicativa durante el verano de 2016 cuando China puso en órbita el primer satélite cuántico, bautizado como QUESS (Quantum Experiments at Space Scale) y conocido más popularmente como Mozi en honor al científico chino del siglo V a. C., precursor de experimentos de óptica y mecánica.

A lo largo de 30 meses, el satélite QUESS trabajó en el espacio experimentando el potencial que la tecnología cuántica ofrece a la sociedad. Y los resultados fueron reveladores.

La tecnología cuántica va a transformar por completo el mundo tal y como lo conocemos. No solo va a cambiar la forma en la que nos comunicamos, sino también cómo trabajamos, establecemos cálculos e incluso nos protegemos.

Las principales potencias mundiales ya han comenzado una nueva “carrera espacial” para explorar la tecnología cuántica y sus múltiples posibilidades.

Actualmente, equipos no solo del país asiático, sino también de Canadá, Japón, Estados Unidos, Reino Unido y varias naciones europeas están desarrollando tecnología de comunicación cuántica. De hecho, la Agencia Espacial Europea ya anunció el pasado año que lanzará su primer satélite cuántico en 2024. 

Pero, ¿qué hay detrás de esta tecnología que la hace tan interesante para los países más poderosos del mundo? Estás a punto de descubrirlo.

Satelites cuanticos

¿Qué es un satélite cuántico y cómo funciona?

Un satélite cuántico es, en palabras simples, un objeto en el espacio que orbita alrededor de la Tierra y utiliza la mecánica cuántica para funcionar. Para comprender cómo funciona este tipo de satélites debemos refrescar el concepto de mecánica cuántica

La mecánica cuántica se trata de la rama de la física que estudia el comportamiento de la materia y la energía a nivel atómico y subatómico. Intenta explicar los fenómenos naturales observando las propiedades de átomos, moléculas y sus partículas elementales como protones, neutrones, electrones, quarks, bosones y gluones.

Es curioso resaltar cómo la mecánica cuántica se desarrolló como campo de estudio a comienzos del siglo XX para esclarecer algunas “anomalías” en la física de la época. En aquel momento la física clásica, centrada en el comportamiento de la materia y la energía a nivel macroscópico, no podía explicar los fenómenos al nivel de las partículas elementales.

Dicho de otro modo, las predicciones de la física clásica para objetos grandes no funcionaban tan bien cuando estudiaban objetivos en una escala más pequeña.

La física clásica defendía una visión mecanicista, determinista y objetiva en la que el cosmos funcionaba de manera ordenada, rígida y de acuerdo a leyes claras derivadas de ecuaciones matemáticas, algo que la cuántica vino a desmontar.

La física cuántica dio una vuelta de tuerca a las teorías clásicas y revolucionó la forma de pensar de muchos científicos, centrando la mirada en el mundo subatómico

Fue el físico alemán Max Planck, considerado padre de la física cuántica, quien lanzó la primera piedra afirmando que algo se le escapaba al detectar que ciertos resultados experimentales no coincidían con los datos teóricos esperados. 

Tras varios ensayos, Planck presentó en 1900 su teoría sobre los cuerpos negros y la radiación, conocida como Ley de Distribución de Energías del Espectro Normal. Dicha teoría establece que, a nivel subatómico, los objetos calientes solo podían emitir energía en pequeñas unidades o “paquetes”, conocidos como cuantos.

Por tanto, la teoría cuántica de Planck fue la primera prueba experimental de la existencia de los cuantos. Y, aunque las ideas de Planck no arrasaron entre el mundo científico, sí que siguieron un desarrollo creciente y se fueron aplicando a nuevas situaciones, generando descubrimientos y formulaciones innovadores para la física de la época. 

Satélites de física cuántica

Sin duda, la revolución cuántica se ha convertido en uno de los desarrollos intelectuales más sorprendentes del siglo XX y, a día de hoy, todavía se considera la parte más compleja de entender dentro de la física. Pero, ¿por qué? 

Sencillamente, porque los sistemas con comportamiento cuántico contrarian nuestra percepción y no siguen las reglas a las que estamos acostumbrados. Los objetos son difíciles de ver y de sentir, pueden tener características controvertidas, existen en varios estados diferentes al mismo tiempo e incluso cambian dependiendo de si se observan o no.

A pesar de esta complejidad, la mecánica cuántica ha tenido un impacto profundo en nuestra comprensión del universo en sus escalas más pequeñas.

Gracias a ella sabemos que la materia y la energía, compuestas por partículas fundamentales, no se comportan de forma intuitiva; o que lo que le sucede a una de esas partículas puede estar relacionado con lo que le ocurre a otra partícula, por más que esté situada en la otra punta del universo.

Aunque la física cuántica se centra en explicar el mundo a nivel microscópico, sus consecuencias las podemos observar a nivel macroscópico en las propiedades magnéticas, ópticas, térmicas y eléctricas de los elementos.

Así, por ejemplo, inventos tan trascendentales para el día a día de la sociedad como los láseres, los interruptores eléctricos, los microscopios electrónicos, los transistores o los dispositivos de imágenes por resonancia magnética son fruto de la comprensión que la mecánica cuántica nos ha dado. 

El entrelazamiento: el fenómeno detrás de los satélites cuánticos

Bien, ahora que hemos repasado el concepto de mecánica cuántica —o, lo que es lo mismo, física cuántica— veamos cómo se aplica esta ciencia en el desarrollo de los satélites a través de la computación cuántica.

A diferencia de un satélite convencional, que emplea ondas de radio para comunicarse, los satélites cuánticos aprovechan las propiedades únicas de las partículas subatómicas (como los como fotones entrelazados) para transmitir información de una forma más rápida, potente y segura.

Y es aquí donde reside la magia de la tecnología cuántica. Te lo explicaremos rápidamente.

Cuando dos partículas están entrelazadas cuánticamente, es decir, cuando comparten el mismo estado cuántico, cualquier interacción o cambio realizado en una de ellas afecta instantáneamente a la otra, sin importar la distancia que las separe. Esto significa que, si perturbas el estado de una partícula, el estado de la otra partícula también cambiará instantáneamente, incluso si las separa una larga distancia.

Este fenómeno se conoce como entrelazamiento cuántico y es el que permite a los satélites cuánticos enviar información que es prácticamente imposible de interceptar, descifrar o hackear, incluso con la tecnología más avanzada.

Tal y como explicó Gregoir Ribordy, CEO de ID Quantique en una entrevista al Wall Street Journal tras el lanzamiento de QUESS, una transmisión cuántica es como un mensaje escrito en una pompa de jabón: «Si alguien lo intenta interceptar cuando se está transmitiendo, al tocarlo, lo hace estallar».    

Por tanto, gracias a este tipo de satélites, podemos establecer enlaces cuánticos entre diferentes puntos del planeta, garantizando una comunicación instantánea y segura, ya que cualquier intento de pirateo o espionaje sería detectado de inmediato.

La “carrera espacial” cuántica

El 16 de junio de 2017, la imagen del primer satélite experimental de ciencia cuántica de China, «Micius», apareció en la portada de la revista estadounidense Science revelando que una red cuántica global era factible. 

El experimento, dirigido por Pan Jianwei, científico y profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, consiguió demostrar por primera vez en la historia un entrelazamiento cuántico a lo largo de 1203 kilómetros utilizando un satélite. Hasta entonces, las pruebas de entrelazamiento de partículas cuánticas más largas no superaban los cientos de kilómetros.

Satélite cuántico chino Micius QUESS
Representación artística del satélite de ciencia cuántica Micius. Fuente: Revista Science 

Los hallazgos del equipo chino llegaban tras décadas de experimentos que dieron comienzo en los años setenta. Estos ensayos pretendían demostrar el entrelazamiento que, como hemos visto, tiene lugar cuando dos partículas se unen de cierta manera sin importar la distancia que las separe. Este vínculo invisible entre objetos cuánticos distantes permite que uno afecte instantáneamente al otro.

Hemos de pensar que, por aquel entonces, la teoría del entrelazamiento cuántico estaba en entredicho, ya que contradecía la propia intuición del mismísimo Albert Einstein.

El formulador de la Teoría de la Relatividad que revolucionó la física conocida hasta el momento llegó a calificar la idea del entrelazamiento cuántico de «acción espeluznante a distancia» y “conexión fantasmagórica”.

Las primeras pruebas en laboratorio dieron sus frutos y fueron la base de las futuras investigaciones en el campo. A partir de los noventa, los científicos comenzaron a trabajar en el desarrollo de las computadoras cuánticas que utilizaban qubits en lugar de bits convencionales. Estas máquinas permitían una capacidad de cálculo sin precedentes. 

A medida que avanzaba la tecnología, se exploró la posibilidad de llevar a cabo la comunicación cuántica en el espacio mediante satélites.

Los científicos habían conseguido demostrar el entrelazamiento cuántico, pero continuaban encontrando obstáculos, ya que los fotones entrelazados se degradan rápidamente a medida que pasan por el aire o las fibras ópticas. El espacio ofrecía un entorno vacío, libre de turbulencias y distorsiones ideal para testear la viabilidad de la comunicación cuántica a través de satélites. 

Satélites cuánticos en el espacio

En agosto de 2012, el equipo de Pan Jianwe demostró la distribución de entrelazamiento y teletransportación cuántica en el espacio libre en más de 100 kilómetros por primera vez en el mundo, sentando las bases técnicas para el lanzamiento del primer satélite cuántico. 

Cabe señalar que la teletransportación no implica el movimiento real de una partícula, sino la transmisión instantánea de un estado de una partícula a otra a una gran distancia.

En 2015 un grupo multidisciplinar de científicos al frente de un experimento financiado con fondos de la Fundación Nacional de Investigación de Singapur y la Agencia Espacial del Reino Unido, demostró por primera vez la generación de entrelazamiento cuántico a bordo de un nanosatélite.

Si bien el entrelazamiento no se extendió a la Tierra, el experimento mostró que era factible generarlo mientras estaba en órbita, allanando el camino para futuros estudios. 

Apenas un año más tarde la QUESS llegó al espacio. Esta acción encumbró a China como líder mundial en satélites cuánticos y abrió una nueva era de investigaciones en la que estamos inmersos.

En los últimos años, los principales países desarrollados de todo el mundo han incrementado los esfuerzos dedicados tanto a la investigación como al desarrollo de los satélites cuánticos.

Pero, ¿qué aplicaciones ofrecen a la sociedad? Te lo contamos a continuación. 

¿Qué aplicaciones prácticas ofrecen los satélites cuánticos?

Ahora que ya conoces qué es un satélite cuántico, podrás imaginar el mundo de posibilidades que ofrece esta tecnología a la sociedad. Veamos algunas de las aplicaciones prácticas más interesantes.

Comunicación y criptografía

Sin duda, una de las aplicaciones más revolucionarias de los satélites cuánticos es el de la comunicación, dado que garantiza la seguridad y privacidad de las transmisiones.

La información confidencial ahora se cifra y se entrega principalmente a través de Internet, mediante cables de fibra óptica, satélites de telecomunicaciones u otros canales junto con las «claves criptográficas» digitales necesarias para cifrar y descifrar los datos. Tanto los datos como las claves se transmiten como bits tradicionales y ese nivel de cifrado deja los datos abiertos al ataque de piratas informáticos experimentados. La física cuántica compensa esta vulnerabilidad.

La criptografía cuántica que, sencillamente, es aquella que emplea los principios de la mecánica cuántica, compensa esta vulnerabilidad. Gracias a ella, más concretamente a los qubits (bits cuánticos utilizados para la transmisión de datos) se establecen sistemas de cifrado teóricamente inquebrantables, protegiendo así la confidencialidad de la información

Esto va a permitir que cualquier comunicación online, desde un simple email hasta una comunicación gubernamental e incluso una transacción bancaria, sean imposibles de hackear.

Por otro lado, los satélites cuánticos se pueden utilizar como parte de una arquitectura de red cuántica más grande que permite conectar redes cuánticas terrestres locales a largas distancias.

Estamos hablando de que es posible crear una red de comunicación cuántica a escala global ultra segura y de alta velocidad, es decir, que este tipo de satélites podrían ser la base para una nueva forma de Internet: el Internet cuántico.

El uso de satélites cuánticos resultará ventajoso debido al hecho de que la mayor parte de la ruta óptica atravesada por un par de fotones entrelazados se encuentra en el espacio libre, lo que da como resultado una menor pérdida en comparación con la distribución de entrelazamiento en tierra sobre enlaces atmosféricos o de fibra óptica. 

Así, esta red cuántica ampliará el alcance de las comunicaciones, permitirá tener experiencias online tremendamente ágiles y seguras, e incluso podría conducir al desarrollo de nuevas aplicaciones, como la transmisión de video en vivo, la realidad aumentada y la telepresencia.

Los experimentos a este respecto ya están en marcha. Uno de ellos es el financiado por la NASA y bautizado como SEAQUE. El Space Entanglement and Annealing Quantum Experiment, que se lanzó a finales de 2022, probará dos tecnologías que podrían permitir que las computadoras cuánticas se comuniquen entre sí sin importar dónde se encuentren, sentando con ello las bases para una futura red cuántica mundial.  

Dicho de otro modo, SEAQUE se propone demostrar la viabilidad de las tecnologías que conseguirían que los nodos en órbita conecten de forma segura transmisores y receptores cuánticos a grandes distancias.

Para lograrlo, estos nodos necesitarán producir y detectar pares de fotones entrelazados. Tal y como ha informado la NASA, eventualmente, la transmisión de dichos fotones a computadoras cuánticas en tierra podría proporcionar la base para la computación cuántica en la nube. Es decir, los medios para intercambiar y procesar datos cuánticos independientemente de dónde se encuentren las computadoras.

Red cuántica global Internet cuántico

Ciberseguridad

En la era de la banca online, los smartphones y las redes en la nube que almacenan una gran cantidad de información personal, el cifrado de datos confiable es esencial. Pero la tecnología que empleamos en la actualidad para proteger nuestra información pronto resultará inadecuada ante la aparición de poderosos ordenadores cuánticos de alta velocidad. 

El poder de procesamiento excepcional de estas máquinas de próxima generación —que se estima esté disponible en los próximos de 10 a 20 años— descifrará fácilmente los códigos de encriptación actuales que protegen nuestras contraseñas y números de identificación personal. 

¿Cómo podremos proteger entonces nuestra privacidad e intercambiar datos confidenciales en el futuro? Efectivamente, gracias a los satélites cuánticos.

Los satélites cuánticos son la clave para desarrollar nuevos sistemas de ciberseguridad que sean más resistentes a los ataques cibernéticos.

Gracias a esta tecnología, la detección de intrusiones será mucho más eficaz, puesto que cualquier intento de acceso a la información o alteración de la misma dejaría rastros de interferencia.

También facilitará a los expertos en ciberseguridad la implementación de pruebas de penetración más avanzadas y exhaustivas. Todo esto ayudaría a mejorar la ciberseguridad en empresas e instituciones, protegiéndolas frente a ataques ransomware, violaciones de datos y otros tipos de amenazas a la seguridad informática.

Esta tecnología está cada vez más cerca de hacerse realidad. Los experimentos ya han comenzado y merece la pena reseñar el proyecto QEYSSat financiado por la Agencia Espacial Canadiense y liderado por el Instituto de Computación Cuántica (IQC) de la Universidad de Waterloo. El objetivo de esta misión, que está prevista se lance en 2025, es demostrar la distribución de claves cuánticas (QKD) en el espacio. 

QKD es una tecnología que crea códigos de cifrado prácticamente irrompibles. Utiliza fotones (partículas de luz individuales) y las leyes de la física para generar claves de cifrado privadas entre dos usuarios. De esta manera, QKD permite que dos partes produzcan una clave secreta aleatoria compartida que solo ellos conocen, que luego se puede usar para cifrar y descifrar mensajes. 

Es cierto que ya funcionan los dispositivos QKD terretres, pero su capacidad es limitada, ya que las partículas cuánticas se transmiten a través de cables de fibra óptica, por lo que la señal es poco fiable a más de 200 kilómetros.

Esta misión permitirá a los científicos estudiar cómo se comporta QKD en el espacio y sentar las bases para una red global que admite el intercambio de claves de cifrado a largas distancias.

Aplicaciones de los satelites cuanticos

Europa tampoco se queda atrás en estas investigaciones. Un proyecto que reúne a once socios (instituciones académicas, organizaciones de investigación y empresas tecnológicas) de seis países europeos lanzó recientemente QUDICE (Quantum Devices and Subsystems for Communications in Space), una misión también centrada en el desarrollo de componentes y subsistemas para QKD basados ​​en el espacio.

La meta final es crear una red europea de satélites con distribución de clave cuántica. QUDICE ya está plenamente operativo con el horizonte de obtener los primeros prototipos a finales de 2024 y probarlos en 2025. 

Logística, transporte y defensa

Una de las ventajas más significativas de la computación cuántica es su capacidad para realizar cálculos exponencialmente más rápido que los ordenadores clásicos. Esto podría generar mejoras significativas en la eficiencia, el ahorro de costes en el transporte y el rendimiento general de las operaciones logísticas, a la par que aumentar la satisfacción del cliente. 

Por un lado, la tecnología cuántica permite mejorar la precisión de los sistemas de navegación como la geolocalización, ya que se pueden usar para crear una red global de puntos de referencia cuánticos que determinen la posición y orientación con mayor precisión y fiabilidad. Con ello se podría mejorar, por ejemplo, la planificación de rutas logísticas.

También tendría un impacto significativo en la optimización de la cadena de suministro en la que intervienen múltiples agentes como proveedores, fabricantes, distribuidores o minoristas.

La gestión eficaz de estas redes requiere la capacidad de procesar grandes cantidades de datos y tomar decisiones en tiempo real en función de las condiciones cambiantes (inventario, demanda, disponibilidad, transporte…). La tecnología cuántica es la respuesta para ofrecer soluciones rápidas y precisas a estas situaciones.

Del mismo modo, los satélites cuánticos se podrían aplicar para una gestión del tráfico más segura y eficiente, reduciendo el número de accidentes de tráfico.

Tampoco podemos olvidarnos de las aplicaciones que la tecnología cuántica puede proporcionar en materia de defensa. Al respecto, merece la pena mencionar los experimentos iniciados por la OTAN con los que buscan ampliar las capacidades bélicas de los aliados. Por ejemplo, uno de ellos está trabajando en el desarrollo de sensores cuánticos para la detección de submarinos

Investigación espacial y predicción del clima

Los satélites cuánticos ayudarán a perfeccionar las capacidades de observación del espacio. Por ejemplo, este enfoque brinda la posibilidad de ampliar la línea de base de los telescopios para mejorar las imágenes astronómicas. 

La línea fase hace referencia a la distancia entre dos telescopios o antenas y juega un papel clave para mejorar la resolución de las observaciones astronómicas. Cuanto mayor sea, mayor será la resolución espacial obtenida, lo que significa que se pueden ver objetos celestes más pequeños y más distantes.

En definitiva, podremos explorar el universo con mayor precisión y detalle. Esto nos permitirá detectar y estudiar objetos lejanos —incluso todavía desconocidos— como planetas, asteroides, estrellas, al igual que fenómenos cósmicos como agujeros negros, cuásares y ondas gravitacionales.

Además, la tecnología cuántica ofrece nuevas posibilidades de predicción del clima y desastres naturales, recopilando y procesando datos con una precisión sin precedentes. El mundo podría prepararse mejor como respuesta ante eventos climáticos extremos.

Uno de los avances científicos en este sentido es el espectrómetro de puntos cuánticos creado por Mahmooda Sultana, científica del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, en 2022. 

Este instrumento a bordo de un satélite tiene potencial para estudiar la composición de la superficie de la Tierra, el color del océano, la vegetación y la química atmosférica, además de proporcionar información sobre las interacciones de las auroras. 

Igualmente, el espectrómetro de puntos cuánticos podría identificar agua y otras sustancias químicas en el suelo lunar, así como caracterizar la superficie y los elementos atmosféricos de otros planetas. 

Ciencia y salud

Ya hemos señalado que la computación cuántica se basa en bits cuánticos o qubits. A diferencia de los ordenadores tradicionales, en los que los bits deben tener un valor de cero o uno, un qubit puede representar un cero, un uno o ambos valores simultáneamente. 

La representación de la información en qubits permite que se procese de maneras que no tienen equivalente en la informática “clásica”, aprovechando fenómenos como el túnel cuántico y el entrelazamiento cuántico.

Como tal, los ordenadores cuánticos teóricamente son capaces de resolver ciertos problemas (factorizar números, buscar en bases de datos, simular reacciones químicas…) en apenas unos días, mientras que a un ordenador tradicional le costaría millones de años. 

Este potencial de la computación cuántica supone revolucionar la atención médica, no solo mejorando el diagnóstico a través de algoritmos cuánticos, sino también monitorizando el estado de pacientes mediante sensores portátiles e incluso facilitando la telemedicina al transmitir imágenes y datos en tiempo real.

El avance en genómica, así como el descubrimiento y desarrollo de nuevos tratamientos y fármacos al simular el comportamiento de moléculas y células a nivel cuántico es otra de las aplicaciones más prometedoras de la tecnología cuántica.

Computadora cuántica IQM en Espoo, Finlandia
Computadora cuántica IQM en Espoo, Finlandia. Fuente imagen.

Satélites cuánticos: desafíos y futuro

Está claro que el desarrollo de los satélites cuánticos va a suponer un antes y un después en el avance de la humanidad. Sin embargo, esta tecnología vanguardista también se enfrenta a retos que exigirán esfuerzos por parte de toda la comunidad científica para superarlos.

Uno de los puntos críticos se encuentra en la logística. La construcción y el lanzamiento de los satélites cuánticos requieren de unas tecnologías que todavía están en pañales.

Las partículas cuánticas son poderosas, pero no es sencillo generarlas y manipularlas. Requieren estabilidad y precisión, algo que puede resultar complejo en el entorno hostil del espacio. Si las partículas se alteran por radiación, vibraciones u otros factores, la integridad y la precisión de los cálculos y comunicaciones cuánticas pueden verse afectadas.

Además, hay que tener en cuenta que la creación y el mantenimiento del entrelazamiento cuántico a larga distancia entre los satélites y la Tierra puede ser un hándicap para la calidad de las comunicaciones.

De igual forma, el desarrollo de los satélites cuánticos exige capacidad económica. Y los costes asociados a la investigación, construcción y lanzamiento de estos sofisticados objetos espaciales pueden tornarse prohibitivos.

También será necesario avanzar en materia de regulación para establecer marcos normativos que controlen el uso y despliegue de los satélites cuánticos, teniendo en cuenta su potencial impacto en la privacidad y seguridad.

A pesar de todo ello, las investigaciones avanzan a buen ritmo y, por el momento, se están fraguando alianzas entre países que abren la puerta a programas de cooperación internacional.

Esto conseguirá que los satélites cuánticos resulten más accesibles para corporaciones y gobiernos, contribuyendo así a la evolución de la tecnología y la informática que, como sabemos, resulta clave para el avance del ser humano. Los satélites cuánticos tienen desafíos que enfrentar, es cierto, pero también les auguramos un futuro prometedor y estaremos atentos a él para contártelo.

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