Transmiten información cuántica a la Tierra, desde un avión en pleno vuelo

La ciencia pretende conseguir comunicaciones totalmente seguras, y ahora los físicos cuánticos creen que pueden conseguir claves secretas utilizando la criptografía cuántica a través de satélite. A diferencia de la comunicación basada en los bits clásicos, la criptografía cuántica emplea los estados cuánticos de los cuantos de luz simples (fotones) para el intercambio de datos.

El principio de incertidumbre de Heisenberg limita la precisión con la que puede determinarse la posición y velocidad de una partícula cuántica simultáneamente, pero este principio también puede utilizarse para la transferencia segura de información.

Al igual que su equivalente clásica, la criptografía cuántica requiere una clave compartida con la que ambas partes pueden codificar y decodificar mensajes. Sin embargo, los fenómenos de la mecánica cuántica garantizan la seguridad de la distribución de una clave cuántica. Dado que los estados cuánticos son muy frágiles, la intercepción de la llave por parte de un espía altera el comportamiento de las partículas, y por lo tanto dicha intercepción se vuelve detectable.

Esta estrategia de cifrado ya está siendo utilizada por algunas agencias gubernamentales y los bancos. Los datos se envían ya sea a lo largo de cables de fibra de vidrio o a través de la atmósfera. Sin embargo, la distribución óptica de claves a través de estos canales está limitada a distancias de menos de 200 km, debido a las pérdidas de señal a lo largo del camino.

En 2007, el físico Harald Weinfurter, de la Ludwig-Maximilians Universität (LMU) de Munich (Alemania), y su grupo, transmitieron correctamente una clave a través de más de 144 kilómetros de espacio libre entre las estaciones de tierra en las islas de Tenerife y La Palma. La distribución de dichas claves a través de redes vía satélite haría posible la transmisión segura de datos a escala global.

Desde un transmisor móvil

Un equipo dirigido por Weinfurter y Sebastian Nauerth, de la Facultad de Físicas de la LMU, en colaboración con el Centro Alemán de Aeronáutica e Investigación del Espacio (DLR), ha logrado ahora transmitir ópticamente información cuántica entre una estación en tierra y un avión en vuelo. Esta es la primera vez que la criptografía cuántica se utiliza en una comunicación con un transmisor móvil.

El canal cuántico se integró en un sistema de comunicaciones inalámbrico y basado en láser del DLR, permitiendo que la experiencia y la pericia del centro pudieran ser aprovechadas en el experimento.

"Esto demuestra que la criptografía cuántica puede ser implementado como una extensión de los sistemas existentes", afirma Nauerth en la nota de prensa. En el experimento, fotones individuales fueron enviados desde el avión hasta el receptor en tierra. El reto era asegurarse de que los fotones pudieran dirigirse con precisión hacia el telescopio de tierra a pesar de los efectos de las vibraciones mecánicas y las turbulencias del aire.

"Con la ayuda de espejos móviles, se consiguió una precisión de menos de 3 m en una distancia de 20 km", señala Florian Moll, responsable del proyecto en el Instituto de Comunicación y Navegación del DLR. Con este nivel de precisión, Guillermo Tell podría haber acertado en la manzana sobre la cabeza de su hijo, incluso desde una distancia de 500 metros.

Propiedades cuánticas

Las comunicaciones cuánticas se basan en el hecho de que los objetos cuánticos están "a la vez" en varios estados distintos, y en que es imposible medirlos sin modificarlos aunque sea ligeramente.

La mecánica cuántica describe la dinámica de cada partícula cuántica (fotones, electrones, etc.) en términos de estados cuánticos, asignando una probabilidad a cada posible estado de la partícula por medio de una función.

A diferencia de los objetos de tamaño macroscópico, como las personas, los objetos cuánticos pueden estar en varios estados a la vez.

Pero esos estados no pueden medirse todos a la vez; sólo se puede medir alguno de ellos. Por eso un espía que intercepte la información, la modifica de manera irreversible, y puede ser detectado.

La información cuántica también aprovecha otras propiedades, como el "entrelazamiento" (entanglement), que consiste en que dos partículas cuánticas pueden estar fuertemente correlacionadas, debido a que se generaron al mismo tiempo o a que interactuaron, por ejemplo, durante un choque. Cuando esto ocurre se dice que sus estados están entrelazados, lo que provoca que la medición sobre una de ellas determina inmediatamente el estado de la otra, sin importar la distancia que las separe.