SEAQUE será alojado en la Estación Espacial Internacional por la esclusa Nanoracks Bishop. Los soportes azules y dorados unidos al costado de la esclusa de aire son para cargas útiles externas. La demostración de tecnología se instalará en uno de esos sitios. Crédito: NASA

Un pequeño experimento lanzado a la Estación Espacial Internacional a finales de este año podría sentar las bases para una futura red cuántica global. Llamada Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment (o SEAQUE), la demostración de tecnología del tamaño de un cartón de leche probará dos tecnologías de comunicaciones en el duro entorno del espacio.

Las computadoras cuánticas tienen la promesa de operar millones de veces más rápido que las computadoras convencionales, y los sensores cuánticos distribuidos pueden conducir a una nueva comprensión de la Tierra y nuestro lugar en el universo al medir los cambios mínimos en la gravedad. Pero para que las computadoras cuánticas o los sensores cuánticos se comuniquen, requerirán una red de comunicaciones dedicada. Un componente clave de esta red serán los «nodos» espaciales que pueden recibir y transmitir datos cuánticos hacia y desde el suelo a través de comunicaciones ópticas en el espacio libre.

SEAQUE se propone demostrar la viabilidad de las tecnologías que podrían permitir a los nodos en órbita conectar de forma segura transmisores y receptores cuánticos a grandes distancias. Para hacer eso, estos nodos necesitarán producir y detectar pares de fotones entrelazados. Eventualmente, la transmisión de tales fotones a las computadoras cuánticas en el suelo podría proporcionar la base para la computación cuántica en la nube, los medios para intercambiar y procesar datos cuánticos independientemente de dónde se encuentren las computadoras.

Una vez conectado al exterior de la estación espacial, SEAQUE también probará una técnica para ayudar a los nodos espaciales a «autocurarse» del daño por radiación, un desafío continuo de mantener instrumentos delicados en el espacio.

«La demostración de estas dos tecnologías construye la base para futuras redes cuánticas globales que pueden conectar computadoras cuánticas ubicadas a cientos o incluso miles de millas de distancia», dijo Makan Mohageg, coinvestigador de SEAQUE en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California.

Al igual que la red que pretende habilitar, el proyecto es global. La colaboración SEAQUE incluye científicos y estudiantes de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, que lideran el proyecto; la Universidad de Waterloo en Ontario, Canadá; Universidad Nacional de Singapur; el socio industrial AdvR, Inc., con sede en Montana; el proveedor de sistemas espaciales comerciales nanoracks, con sede en Texas; y JPL.

El poder del entrelazamiento

Los pares de fotones entrelazados están tan íntimamente conectados que medir uno afecta inmediatamente los resultados de medir el otro, incluso cuando están separados por una gran distancia. Esta es una característica fundamental de los sistemas mecánicos cuánticos. La fuente de fotones entrelazados de SEAQUE divide los fotones de alta energía en pares de fotones «hijas» entrelazados. Esos fotones hijos se cuentan y sus propiedades cuánticas se miden mediante los detectores internos del instrumento.

Mientras que otros experimentos cuánticos basados en el espacio han dependido de la óptica a granel (que enfoca la luz en un cristal especial) para generar fotones entrelazados, SEAQUE se basa en una fuente integrada de fotones entrelazados utilizando una guía de onda, una primicia para las naves espaciales. Una guía de onda es una estructura microscópica que actúa como una autopista para los fotones, dirigiendo su transmisión con poca pérdida del estado cuántico.

«SEAQUE demostrará una fuente de entrelazamiento nueva y nunca antes volada basada en óptica integrada», dijo Paul Kwiat, investigador principal del proyecto en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. «Tal fuente es inherentemente mucho más pequeña, más robusta y más eficiente en la producción de pares de fotones que las fuentes de entrelazamiento óptico a granel utilizadas en experimentos espaciales anteriores».

Por ejemplo, cuando esas ópticas a granel requieren una delicada realineación óptica por parte de un operador en tierra después de ser sacudidas durante el lanzamiento, la óptica de SEAQUE no lo hará.

«Si estás construyendo una red cuántica global, conectando cientos de estaciones terrestres cuánticas en diferentes continentes, no puedes permitirte tener una persona en el bucle manteniendo las fuentes en cada uno de los nodos en alineación óptica», dijo Mohageg. «Una fuente monolítica basada en guías de onda como la que SEAQUE va a volar será un gran avance hacia una red de información cuántica global y escalable».

Curación con láser

La confiabilidad de la demostración de la tecnología podría recibir otro impulso si SEAQUE demuestra que también puede reparar el daño infligido por la radiación.

Los nodos de comunicaciones cuánticas requerirán detectores altamente sensibles para recibir las señales cuánticas de un solo fotón de la superficie de la Tierra. A medida que las partículas de alta energía, o radiación, del espacio golpean los detectores de los nodos, crearán defectos con el tiempo. Estos defectos pueden manifestarse como «recuentos oscuros» en la salida de un detector, creando ruido que eventualmente abrumará cualquier señal cuántica desde el suelo. Si no se controla, la radiación espacial degradará en última instancia dichos detectores tanto que tendrán que ser reemplazados regularmente, impidiendo la viabilidad de una red global de comunicaciones cuánticas.

Si bien la detección de señales de la Tierra está más allá del alcance de esta demostración de tecnología, SEAQUE utilizará su matriz de detectores para contar los fotones generados por su fuente de entrelazamiento. Y SEAQUE utilizará un láser brillante para reparar periódicamente el daño inducido por la radiación que afectará el recuento de la matriz de detectores, otra primicia.

«En pruebas en el terreno, descubrimos que esta técnica hace que los defectos en la red ‘burbujeen’, un proceso conocido como recocido, reduciendo así el ruido del detector y potencialmente prolongando la vida útil de los nodos cuánticos en el espacio, facilitando una red global robusta», dijo Kwiat.

SEAQUE estará alojado en la estación espacial por la esclusa Bishop, propiedad y operada por Nanoracks. Nanoracks también está proporcionando los servicios de operaciones de la misión y coordinando los servicios de lanzamiento. La fuente de fotones entrelazados ópticos integrados para SEAQUE es desarrollada por AdvR, Inc.