El sector espacial tiene un enorme problema de datos. Muchos satélites en órbita terrestre dedican prácticamente todo su tiempo a recopilar datos brutos, pero su envío de vuelta a la Tierra se ve obstaculizado por el ancho de banda de enlace descendente y la frecuencia con la que un satélite puede comunicarse con las estaciones receptoras.
Una posible solución a este problema sería procesar los datos brutos directamente en el satélite. Ahora, un equipo de físicos liderado por Philip Walther, de la Universidad de Viena, ha demostrado una forma audaz de lograrlo.
Por primera vez, un procesador cuántico ha funcionado en el espacio. Pero llegar hasta allí no fue precisamente fácil.
Las computadoras cuánticas son como florecitas delicadas. Los estados cuánticos en los que se basan son extraordinariamente sensibles a su entorno. El calor, las vibraciones, las interferencias electromagnéticas y otras perturbaciones pueden alterar esos estados, introduciendo errores o destruyendo el comportamiento cuántico que la computadora necesita para funcionar.
Es difícil lograrlo correctamente, incluso en las condiciones de laboratorio más impecables. Como probablemente puedas imaginar, el espacio es un entorno mucho menos indulgente.
El procesador desarrollado por Walther y sus colegas utiliza partículas de luz (fotones) para transportar información cuántica. En su núcleo se encuentra una fuente que genera fotones en pares y los introduce en una red programable de vías ópticas grabadas en un pequeño chip de vidrio.
Para que el procesador pueda aprovechar su comportamiento cuántico, esos fotones deben ser indistinguibles entre sí. Incluso pequeñas diferencias en propiedades como su tiempo de llegada, polarización o longitud de onda pueden permitir distinguirlos, lo que anula la interferencia en la que se basa el cálculo. Y esto debía lograrse en un satélite que orbitaba la Tierra a 28.000 kilómetros por hora bajo los implacables rayos del Sol sin filtrar, después de sobrevivir al considerable estrés mecánico del lanzamiento del cohete.
La única manera de abordar estos problemas era paso a paso, empezando por el lanzamiento del cohete. El lanzamiento de un cohete es una forma brutal de transportar un dispositivo óptico delicado: sujeto a un tubo gigante y pesado de material reforzado y acelerado a velocidad orbital a través de la atmósfera terrestre. Ni el sistema de suspensión más robusto que pudiéramos construir evitaría que vibrara violentamente. Por lo tanto, la mejor solución fue reforzar el propio instrumento.
Los investigadores montaron los componentes más delicados sobre bases de titanio resistentes y reforzaron con resina epoxi las frágiles fibras ópticas que entran y salen del chip fotónico de vidrio. Básicamente, todo lo que pudiera moverse y que no debía moverse bajo ningún concepto se pegó firmemente en su lugar. Entonces lo sacudieron con todas sus fuerzas.
Antes del lanzamiento, los prototipos fueron sometidos a pruebas de vibración e impacto diseñadas para reproducir las condiciones extremas de un viaje en cohete. A una frecuencia de resonancia, la respuesta al impacto requerida alcanzó aproximadamente 1500 veces la gravedad terrestre.
Funcionó. Los componentes ópticos no mostraron ninguna degradación apreciable en su rendimiento.
El 23 de junio de 2025, el ordenador fue lanzado a la órbita terrestre baja a una altitud de unos 510 kilómetros a bordo de un Falcon 9, y resultó que el lanzamiento del cohete iba a ser el menor de sus problemas. Todo empezó a torcerse casi de inmediato.
El instrumento se lanzó con seis diodos de avalancha de fotón único de silicio (SPAD), que detectan los fotones que emergen del circuito fotónico, una parte fundamental del experimento. Sin embargo, solo tres resultaron ser utilizables. Entonces… apareció el Sol.
Los detectores de fotones restantes eran lo suficientemente sensibles como para que la luz del Sol creara una señal de fondo fuerte y muy fluctuante, que enmascaraba las delicadas mediciones que los investigadores intentaban realizar. Afortunadamente, el satélite no pasó toda su órbita bajo la luz del sol. Cada 92 minutos aproximadamente, pasaba a la sombra de la Tierra, donde el ruido de fondo disminuía drásticamente.
Eso le dio al equipo un margen de unos 30 minutos por órbita para tomar sus mediciones más precisas. Hasta ahora, todo bien. Pero si bien la sombra de la Tierra resolvió el problema de la luz solar, no pudo hacer mucho con respecto al entorno de radiación de la órbita terrestre baja: la concentración de protones y electrones energéticos atrapados dentro de los confines de los cinturones de Van Allen.
Los investigadores también habían previsto esto, y por ello encapsularon la carga útil en un escudo de aluminio de calidad aeroespacial de un centímetro de espesor. Funcionó bastante bien contra los electrones, pero los protones son considerablemente más difíciles de bloquear sin añadir grandes cantidades de peso.
Efectivamente, los detectores de fotones que sobrevivieron comenzaron a deteriorarse. Después de 52 días en órbita, su tasa de conteo oscuro —detecciones falsas generadas incluso cuando no llega ningún fotón— aumentó notablemente.
Los investigadores lograron compensar la pérdida ajustando el voltaje suministrado a los detectores, recuperando así parte de la señal perdida. Pero luego estaba el láser.
El equipo había utilizado un láser comercial modificado para soportar las exigencias mecánicas y térmicas del espacio. Su carcasa incluso estaba hecha de Kovar chapado en oro, una aleación elegida en parte porque se dilata muy poco con los cambios de temperatura. Desafortunadamente, en el interior había un adhesivo que no era tan apto para espacios reducidos.
En el vacío, el adhesivo comenzó a desgasificarse, liberando moléculas que se acumularon en los componentes ópticos cercanos formando una película rica en carbono. Durante las pruebas, esta contaminación provocó que la potencia del láser cayera en picado, pasando de unos 20 milivatios a tan solo 4 milivatios en el transcurso de una semana.
Y, para cuando los científicos identificaron el problema, el modelo de vuelo ya estaba integrado en el Falcon 9. ¡Ups!
Ya no había posibilidad de reemplazar el adhesivo ni de limpiar la óptica contaminada. Y, tal como habían predicho las pruebas, la potencia del láser siguió disminuyendo durante su funcionamiento en el espacio, agravando la señal cada vez más débil de los detectores dañados por la radiación. De alguna manera, a pesar de todos estos grandes contratiempos, lograron que esa locura funcionara.
Para realizar operaciones cuánticas, los fotones que viajan a través de los circuitos del instrumento deben ser indistinguibles. Si dos de estos fotones se envían a lados opuestos de la misma unión óptica exactamente al mismo tiempo, ocurre algo claramente cuántico. En lugar de que cada uno siga su propio camino a través de la unión, los dos fotones interfieren entre sí, por lo que tienden a emerger juntos.
Esto produce lo que los físicos denominan una caída de Hong-Ou-Mandel: a medida que los fotones se vuelven más similares, la cantidad de veces que los detectores los captan emergiendo por separado disminuye repentinamente.
Y eso es exactamente lo que los investigadores vieron en el espacio. Para ponerlo a prueba, los investigadores modificaron gradualmente la temperatura del cristal que producía los pares de fotones. Esto altera las longitudes de onda de los fotones, lo que permite al equipo ajustarlas hasta que sus espectros coincidan y se vuelvan indistinguibles.
Gracias a las pruebas realizadas en la Tierra, sabían que este punto óptimo debía alcanzarse en torno a los 32,5°C. Efectivamente, casi exactamente a esa temperatura, la tasa de coincidencias se desplomó, produciendo una clara caída en la secuencia Hong-Ou-Mandel.
Su visibilidad —que es esencialmente una medida de la intensidad de la interferencia de los fotones— fue de 0,908, por encima del límite clásico de 0,5, aunque la considerable incertidumbre en la medición hizo que el resultado superara ese umbral por 2,14 desviaciones estándar. Pero los investigadores también reprodujeron la caída de forma independiente en dos días diferentes, y cuando reconfiguraron deliberadamente el procesador a un estado que no debería producir el efecto, la caída desapareció. A pesar de sus problemas técnicos, el instrumento del equipo estaba generando y manipulando la interferencia no clásica en la que se basa la computación cuántica fotónica.
¿Puede procesar datos satelitales? Definitivamente no todavía. Pero el procesador representa una prueba crucial que permitirá a los investigadores perfeccionar sus diseños y construir instrumentos más robustos para el entorno orbital.
“Los resultados que aquí se presentan son el primer paso en este camino que estamos siguiendo, para permitir la clasificación y la compresión en el propio hardware fotónico, enviando únicamente el producto de inferencia a tierra”, escriben los investigadores.
“Este progreso convertiría a los procesadores en órbita en la contraparte natural de los enlaces cuánticos ya establecidos entre los satélites y la Tierra: los nodos y los canales definen conjuntamente una arquitectura distribuida con cobertura global y acceso de baja latencia, en la que la computación cuántica ya no se limita a entornos de laboratorio controlados, sino que se implementa a gran escala en toda la red.”
El artículo, que aún no ha sido revisado por pares, está disponible en el servidor de preimpresiones arXiv.
Fuente: Science Alert.