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 Austríaca de Ciencias operan 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 un experimento de comunicaciones láser llevado a cabo 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 y permitir el desarrollo de la tecnología de cifrado cuántico y 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 miles de kilómetros establezcan canales cuánticos seguros . ^{[ 3 ]} QUESS tiene capacidades de comunicación limitadas: necesita línea de visión y solo puede operar cuando no está bajo la luz del sol. ^{[ 12 ]}

Se planificaron más satélites Micius, incluyendo una red global para 2030. ^{[ 12 ] [ 13 ]}  El costo total de la misión fue de alrededor de US$100 millones. ^{[ 2 ]}

En marzo de 2025, investigadores informaron sobre el desarrollo del primer microsatélite cuántico del mundo , Jinan-1 , y demostraron la distribución de claves cuánticas (QKD) basada en satélites en tiempo real con múltiples estaciones terrestres compactas en China y Sudáfrica . Durante los experimentos, Jinan-1 estableció enlaces ópticos con estaciones terrestres en ciudades como Jinan , Hefei , Wuhan , Shanghái y Stellenbosch , y generó claves seguras en tiempo real, lo que permitió la comunicación cifrada entre Pekín y Stellenbosch a una distancia de aproximadamente 12 900 km. ^{[ 14 ]} El experimento demostró la viabilidad del uso de microsatélites ligeros y estaciones terrestres portátiles para la comunicación cuántica de larga distancia , sentando las bases para posibles constelaciones de satélites cuánticos y redes cuánticas a gran escala . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Xinglong

Ürümqi

Ali

Viena

Estaciones terrestres

El experimento inicial demostró la distribución de clave cuántica (QKD) entre el Observatorio Astronómico de Xinjiang cerca de Ürümqi y el Observatorio de Xinglong cerca de Pekín , una distancia de círculo máximo de aproximadamente 2500 kilómetros (1600 millas) . ^{[ 3 ]} Además, QUESS probó la desigualdad de Bell a una distancia de 1200 km (750 millas) , más lejos que cualquier experimento hasta la fecha, y teletransportó un estado fotónico entre el Observatorio de Shiquanhe en Ali , Región Autónoma del Tíbet , y el satélite. ^{[ 3 ]} Esto requiere maniobras orbitales y seguimiento satelital muy precisos para que las estaciones base puedan mantener la línea de visión con la nave. ^{[ 3 ] [ 17 ]} En 2021 se demostró la teletransportación completa de estado cuántico a más de 1200 km (750 millas) en tierra, basada en el entrelazamiento distribuido por el satélite. ^{[ 18 ]}     

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, a una distancia terrestre de 7500 km (4700 millas) , lo que permitió la primera videollamada cuántica segura intercontinental en 2016. ^{[ 3 ] [ 4 ]}  

El instrumento principal a bordo de QUESS es un interferómetro de " efecto Sagnac " . ^{[ 3 ]} Este dispositivo genera pares de fotones entrelazados, lo que permite transmitir uno de cada par a la Tierra. Esto permitirá a QUESS realizar la distribución de clave cuántica (QKD), es decir, la transmisión de una clave criptográfica segura que se puede usar para cifrar y descifrar mensajes, a dos estaciones terrestres. En teoría, la QKD 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 , recibiendo cada parte la mitad del par. Esta clave secreta se puede usar como una clave de un solo uso , lo que permite a las dos partes comunicarse de forma segura a través de canales normales. Cualquier intento de interceptar la clave perturbará el estado entrelazado de forma detectable. ^{[ 13 ]} Se ha intentado realizar QKD 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 distribución cuántica de claves (QKD). El envío de las claves desde un satélite en órbita reduce la dispersión, lo que permite realizar la QKD a distancias mucho mayores. ^{[ 3 ]}

Además, QUESS pudo poner a prueba algunos de los fundamentos básicos de la mecánica cuántica . El teorema de Bell afirma que ninguna teoría local de variables ocultas puede reproducir jamás las predicciones de la física cuántica, y QUESS pudo comprobar el principio de localidad a lo largo de 1200 km (750 millas) . ^{[ 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 de las redes de comunicación ultra seguras del futuro. ^{[ 20 ]}

El científico principal de QUESS, Pan Jianwei, declaró a Reuters que el proyecto tiene "enormes perspectivas" en el ámbito de la defensa. ^{[ 21 ]} El satélite proporcionará comunicaciones seguras entre Pekín y Ürümqi, capital de Xinjiang , la remota región occidental de China. ^{[ 21 ]} El Departamento de Defensa de EE. UU. cree que China aspira a lograr la capacidad de contrarrestar el uso de tecnología espacial enemiga. ^{[ 21 ]} 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 fue un foco del decimotercer plan quinquenal , que el gobierno chino estableció a principios de ese año. ^{[ 22 ]} El Wall Street Journal afirmó que el lanzamiento puso a China por delante de sus rivales y los acercó a "comunicaciones a prueba de pirateo". ^{[ 23 ]} Varios medios identificaron la filtración de documentos de vigilancia estadounidenses por parte de Edward Snowden como un impulso para el desarrollo de QUESS, y Popular Science lo denominó "un satélite para la era posterior a Snowden". ^{[ 17 ] [ 24 ] [ 25 ]}

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 previamente reflejando fotones generados en estaciones terrestres en satélites en órbita. ^{[ 26 ]} Si bien no genera fotones totalmente 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 . ^{[ 26 ]} Un consorcio alemán ha realizado mediciones cuánticas de señales ópticas desde el terminal de comunicación láser geoestacionario Alphasat . ^{[ 27 ]} La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA) lanzó el proyecto de comunicaciones cuánticas macroscópicas Quiness para catalizar el desarrollo de una internet cuántica global de extremo a extremo en 2012.

Entre finales de 2025 y principios de 2026, la ESA tiene previsto lanzar el satélite Eagle-1 de distribución de claves cuánticas, con un objetivo similar al del satélite chino QUESS. Formará parte del desarrollo y despliegue de la Infraestructura Europea de Comunicación Cuántica (EuroQCI). ^{[ 28 ]}

• programa espacial chino
• Ciencia de la información cuántica
• Información cuántica
  • Criptografía cuántica
  • Computación cuántica
  • Distribución de claves cuánticas
  • teletransportación cuántica

• Lanzamiento de QUESS ( Archivado el 6 de noviembre de 2017 en Wayback Machine , en chino)
• Sitio web del satélite 3Cat-2 de la Universidad Politécnica de Cataluña