Las comunicaciones cuánticas

Suena un poco a ciencia ficción, ¿verdad? Lo son en cierto modo, pero vamos a intentar hablar un poco de lo que hay detrás de ese nombre tan sugerente, y en qué medida pueden ser relevantes en la época que estamos viviendo.

Empezaremos por las comunicaciones ópticas, de las que son un significativo subconjunto. Hoy día tenemos todos en casa una fibra óptica, y conocemos el sinnúmero de ventajas que ofrece frente los sistemas ahora obsoletos que ella desbancó. Lo que viaja por el interior de esas fibras es sencillamente luz, la misma que nos permite ver el mundo que nos rodea.

Pero no podemos llevar fibra a barcos, aviones, satélites o drones. Usamos la radio hoy día, pero queremos aprovechar las ventajas de las comunicaciones ópticas también para los casos de operadores en movimiento. Surgen entonces las Comunicaciones Ópticas en Espacio Libre, que llamamos FSOC por sus siglas en inglés. FSOC presenta respecto a radio ventajas en cuanto a peso, volumen, seguridad y ausencia de regulación, entre otras. También tiene desventajas, como los efectos de la atmósfera, la climatología y la necesidad de un mejor apuntado. Se trata simplemente de lanzar un láser entre el emisor y el receptor para a continuación modularlo, es decir, encenderlo y apagarlo al estilo del sistema Morse, para así lograr la comunicación.

Este tipo de comunicaciones ópticas, que llamaremos clásicas, se ensayan desde hace bastante tiempo en el Observatorio del Teide, del Instituto de Astrofísica de Canarias, donde se ubica una estación terrestre propiedad de la Agencia Espacial Europea (ESA), que empezó a construirse en 1990, tras la caída del muro de Berlín. Se realizan habitualmente enlaces con satélites equipados con FSOC, capacidad con la cuenta el primer satélite canario ALISIO-1, el cual, dicho sea de paso, sigue orbitando nuestro planeta y goza de excelente salud. 

Las comunicaciones cuánticas están ligadas a la criptografía, es decir, al mantenimiento del secreto en las comunicaciones. El secreto es relevante en la sociedad, tanto en aplicaciones civiles como en defensa. El secreto de las comunicaciones en internet requiere que los operadores que hablan utilicen una clave que únicamente ellos conocen, y si nunca se han reunido físicamente para intercambiarla, es difícil garantizar que únicamente ellos la conocen. Actualmente se utilizan sistemas basados en multiplicar dos números primos muy grandes y enviar el producto, ya que la tarea de averiguar los números originales a partir del producto es inabordable en la actualidad incluso para los ordenadores más potentes. Pero están en el horizonte los ordenadores cuánticos, paradójicamente inspirados en principios similares, que podrán realizar esa factorización en el futuro. Las comunicaciones cuánticas vienen entonces a proporcionar una forma en la que dos operadores, tradicionalmente identificados como Alice y Bob, pueden lograr compartir una clave teniendo la completa seguridad de que nadie más la conoce.

En las comunicaciones cuánticas utilizamos principios de la física cuántica que fueron formulados hace más de cien años pero que apenas estamos empezando a explotar tecnológicamente. La física cuántica nos presenta una realidad que se aleja de nuestra experiencia diaria y que llega a poner en jaque conceptos tales como el espacio y el tiempo. Una de sus proposiciones entrelaza la medida con el sistema que está siendo medido, haciéndole pasar de un estado cuántico complejo a uno clásico simple. Es decir, que la medida afecta a la esencia del sistema, y hay leyes físicas inescrutables que lo garantizan.

Con esta base, en la comunicación cuántica vamos a enviar fotones individuales entre los operadores que quieren comunicarse, nuestros amigos Alice y Bob, con la completa seguridad de que si en el camino algún tercero, llamémosle Eve, intercepta la comunicación, lee los fotones y luego los reenvía con arreglo a lo que leyó, pues no le servirá de nada. Bob se dará cuenta de que alguien ha leído los fotones en cuestión y, sencillamente, tirará la clave a la basura y no la utilizará. No voy a caer en la tentación de importunar al lector con una explicación detallada de cuáles son las razones para tanta tranquilidad, pero baste decir que el proceso de medida del fotón no puede deshacerse, y que si Eve lo realiza, no puede luego dejar el fotón en el estado en el que estaba para que así Bob obtenga el mismo resultado que hubiera obtenido de no haber intervenido Eve, porque ese estado, sencillamente, no existe. 

La Distribución Cuántica de Claves, conocida como QKD por sus siglas en inglés, ha proporcionado un impulso inesperado a las comunicaciones ópticas. Actualmente hay en España dos iniciativas encaminadas al desarrollo de satélites capaces de distribuir QKD, una para un satélite geoestacionario y otra para uno de órbita baja. El Instituto de Astrofísica de Canarias participa en ambas, aportando su dilatada experiencia en la compensación de los efectos negativos de la turbulencia atmosférica.

• Sección coordinada por Adriana de Lorenzo-Cáceres Rodríguez