Uno de los nuevos usos de los fotones individuales consiste en enviarlos cargados de información cuántica a otra ubicación. Esta técnica, conocida como comunicación cuántica, aprovecha las leyes de la física para asegurarse de que la información no ha sido interceptada por ningún espía.

Pero encontrar formas de enviar esta información cuántica por todo el mundo es todo un desafío porque la información es frágil. Cualquier interacción entre los fotones y su entorno la destruye. Las partículas tampoco pueden viajar más de 100 kilómetros sin que se destruya la información cuántica que transportan.

Por eso, un equipo de físicos chinos han ideado una solución alternativa: enviar los fotones a un satélite en órbita, que los retransmite a otra ubicación en la superficie de la Tierra. De esta manera, su incómodo viaje a través de la atmósfera se minimiza. Si los fotones se transmiten desde estaciones terrestres a una gran altitud, la mayor parte de su viaje tiene lugar en el vacío del espacio libre.

Pero existe otro problema. La comunicación cuántica requiere detectores capaces de captar y medir los fotones individuales. En los últimos años, los físicos han diseñado y construido dispositivos muy sensibles capaces de hacerlo. Sin embargo, esta hipersensibilidad los hace vulnerables a cualquier tipo de ruido de fondo, cuya intensidad puede superar a la señal de los propios fotones. Y el espacio está lleno de ruidos no deseados en forma de partículas de alta energía, temperaturas extremas y luz externa proveniente de diferentes fuentes como el Sol.

Construir detectores de un solo fotón capaces de operar en este entorno es un reto importante. Por eso, no es de extrañar que los físicos lleven mucho tiempo pensando en este tema. El investigador Meng Yang y sus colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei afirman haber resuelto el problema. Incluso han probado su máquina en los últimos dos años en un satélite en órbita y aseguran que funciona bien.

El detector del equipo se basa en un fenómeno conocido como ruptura por avalancha, que ocurre en los chips semiconductores bajo algunas circunstancias especiales. Un semiconductor como el silicio conduce la corriente eléctrica en forma de electrones libres y agujeros que pueden moverse a través de la red principal bajo la influencia del campo eléctrico. En circunstancias normales, estos portadores de carga están sujetos a la red y, por lo tanto, no pueden moverse. En estas circunstancias, el material actúa como aislante.

Pero si un electrón se libera, quizás por fluctuaciones térmicas o por un fotón accidental, puede viajar a través de la estructura, creando corriente. En estas circunstancias, el material se convierte en conductor. Un solo electrón liberado de esta manera crea una pequeña corriente difícil de detectar. El truco mediante la ruptura por avalancha consiste en ajustar la tensión para que acelere rápidamente al electrón liberado a velocidades suficientemente altas para liberar a otros electrones conductores. Esto crea una reacción en cadena, una avalancha, que da como resultado una corriente mucho más intensa y más fácil de detectar.

En los últimos años, los físicos han hecho que estos dispositivos sean tan sensibles que un solo fotón de longitud de onda específica es capaz de desencadenar este tipo de avalancha. El resultado es un detector de un solo fotón capaz de captar la mayoría de los fotones que llegan hasta él.

No obstante, esta sensibilidad implica algo más. Es fácil ver cómo una partícula de alta energía puede atravesar un fotodiodo de silicio, expulsar los electrones y desencadenar una avalancha. Pero en el espacio, este tipo de efecto crea mucho ruido de fondo, llamado tasa de recuento oscuro, que supera la señal de los fotones que los físicos intentan medir.

La tarea de Yang y su equipo fue encontrar formas de proteger y mejorar el rendimiento de los detectores comerciales de fotones individuales para que puedan funcionar en el espacio.

Su primera solución fue sencilla: rodear el detector con escudo que bloquea las partículas de alta energía. Para lograrlo hay que encontrar un delicado equilibrio porque el escudo es pesado y, por lo tanto, caro de poner en órbita. La interacción entre el escudo y las partículas de alta energía también puede crear lluvias de partículas secundarias que empeoran aún más la tasa de recuento oscuro.

Finalmente, Yang y sus compañeros se conformaron con un escudo que consta de dos capas. La capa exterior es una lámina de aluminio de 12 milímetros, y la capa interior es una lámina de cuatro milímetros de tántalo, un elemento mucho más denso y pesado. El escudo resultante reduce el nivel de radiación en un factor de 2,5. También actúa como aislante térmico, lo que permite al equipo enfriar los detectores a -15 °C. Esto también reduce los recuentos oscuros al minimizar las fluctuaciones térmicas en el detector de silicio.

Por último, el equipo desarrolló unos controladores electrónicos que apagan los detectores durante los períodos más vulnerables al ruido de fondo, una técnica conocida como resistencia después del impulso.

El efecto de todos estos enfoques fue significativo. Para los detectores de fotón único sin protección, la tasa de recuento oscuro esperada es superior a 200 recuentos por segundo. Un número demasiado alto para la comunicación cuántica en el espacio. Sin embargo, los detectores modificados tienen una tasa de recuento oscuro de solo 0,54 recuentos por segundo. Una cifra es dos órdenes de magnitud mejor.

En 2016, Yang y sus compañeros lanzaron sus detectores a bordo del satélite chino Micius, un demostrador de tecnología cuántica que ha logrado una impresionante serie de avances. Por ejemplo, los detectores fueron un componente clave para teletransportar el primer objeto desde la Tierra a la órbita, un único fotón en 2017. El satélite también permitió la primera videollamada con criptografía cuántica entre dos continentes.

Estos experimentos han preparado el escenario para una nueva generación de comunicación cuántica basada en el espacio. Yang detalla: "Nuestros detectores de fotones únicos abren nuevas ventanas de oportunidades para la investigación espacial y para las aplicaciones en las comunicaciones ópticas en el espacio profundo, como la telemetría por láser de fotones individuales, así como para probar los principios fundamentales de la física en el espacio".

Mientras tanto, el resto del mundo de la física cuántica los mira con envidia. China se ha posicionado como claro líder de la comunicación cuántica basada en el espacio, aunque con la ayuda de los investigadores europeos en áreas clave. Por su parte, Europa está trabajando en un demostrador de tecnología cuántica en órbita llamado Misión de Seguridad y Criptografía, o SAGA, como parte de un plan mucho más amplio para crear una red de comunicaciones cuánticas en todo el continente. Pero todavía no se ha establecido una fecha de lanzamiento. Mientras, los planes de Estados Unidos se han estancado. En 2012, la agencia militar de investigación de tecnología DARPA empezó un programa llamado Quiness para probar distintas tecnologías de comunicación cuántica en el espacio. Pero el programa, y el campo en general, ha sufrido una grave falta de fondos.

Ref: arxiv.org/abs/1910.08161 : Spaceborne, Low-Noise, Single-Photon Detection For Satellite-Based Quantum Communications