La quàntica pren el vol (literalment)

Amb aquesta frase cèlebre, sovint treta de context, Feynman va voler expressar que no és possible desenvolupar una intuïció sobre la quàntica basada en la nostra experiència quotidiana, allunyada del món del molt petit, el molt fred i el molt aïllat. No obstant això, els principis quàntics són profundament compresos, i ens permeten desenvolupar tecnologies amb un impacte tangible en la societat.

A GMV, no només entenem la mecànica quàntica, sinó que l’apliquem per transformar el sector espacial.

Des de la distribució quàntica de claus per a comunicacions segures fins a l’optimització en la captura d’imatges satel·litàries, les tecnologies quàntiques han passat de ser una curiositat teòrica a convertir-se en eines essencials a l’espai, i han fet el salt del laboratori a l’òrbita.

Tot seguit, explorem com GMV està liderant aquesta revolució en l’àmbit espacial amb projectes innovadors en comunicacions, metrologia, navegació i computació quàntiques.

Dues revolucions quàntiques i el seu impacte en l’espai

El desenvolupament de les tecnologies quàntiques ha ocorregut en dues grans onades:

La primera revolució tecnològica impulsada per la quàntica es va basar en l’aplicació de principis quàntics “gruixuts”, sovint expressables de manera semiclàssica. Exemples d’aquestes tecnologies són els transistors, pilars de l’electrònica moderna, incloent-hi els sistemes embarcats en satèl·lits; els rellotges atòmics, essencials en sistemes de navegació per satèl·lit com Galileo i en qualsevol entorn on es necessiti precisió de sincronització per sota del nanosegon, i els làsers, utilitzats en comunicacions òptiques amb enginys espacials.

La segona onada, ja en aquest segle, aprofita fenòmens subtils, íntimament quàntics, com la superposició, l’entrellaçament, la interferència i l’efecte túnel per desenvolupar tecnologies d’avantguarda.

Caramuel: distribució quàntica de claus des de l’espai

La distribució quàntica de claus (QKD) permet establir canals de comunicació teòricament inviolables gràcies a la naturalesa mateixa de la mecànica quàntica.

Tot i que QKD s’ha implementat principalment sobre fibra òptica, el seu ús a l’espai ofereix avantatges significatius, encara que també planteja desafiaments tècnics considerables.

Davant experiments pioners com el satèl·lit xinès Mozi o la missió europea Eagle-1 (per a la qual GMV ha desenvolupat el centre de control), una iniciativa espanyola busca proporcionar un servei comercial de QKD des de l’òrbita geoestacionària.

GMV ha participat en Caramuel, la fase d’estudi de viabilitat i disseny preliminar d’aquest projecte, en el qual ens hem encarregat del segment terreny del sistema, incloent-hi la destil·lació de les claus, la gestió de la cadena criptogràfica, el control del satèl·lit i estacions òptiques, així com la planificació de la missió.

Carioqa: sensors quàntics a l’espai

La metrologia quàntica utilitza sensors quàntics altament sensibles als canvis del seu entorn per mesurar magnituds físiques amb una precisió sense precedents. 

El projecte Carioqa (Cold Atom Rubidium Interferometer in Orbit for Quantum Accelerometry) té com a objectiu concebre, construir, qualificar i volar el 2030 el primer acceleròmetre quàntic a l’espai. Aquest instrument permetrà mesurar variacions minúscules en el camp gravitatori terrestre degudes a la fosa de glaceres, els moviments tectònics i les variacions de l’aigua subterrània. A més, com a resultat científic “col·lateral”, la missió permetrà comprovar amb una precisió sense precedents el principi d’equivalència feble.

GMV contribueix a Carioqa amb l’anàlisi de la missió.

Quantico: navegació quàntica segura des de l’espai

Els sistemes actuals de posicionament, navegació i temps (PNT) des de l’espai enfronten amenaces com l’spoofing (suplantació de senyal) o el jamming (interferències). 

La solució pot venir de la quàntica. 

A GMV hem dissenyat, desenvolupat i validat Quantico, un prototip que combina metrologia quàntica i tècniques inspirades en la distribució quàntica de claus per mesurar amb alta precisió i seguretat la diferència de temps entre dos rellotges i el seu pseudorang associat.

En proves de laboratori i camp, simulant condicions d’òrbita baixa, hem aconseguit una precisió de 6 cm en el càlcul de pseudorangs, la qual cosa converteix Quantico en una alternativa viable per a sistemes de navegació per satèl·lit més segurs.

CUCO: computació quàntica per a desafiaments a l’espai

Tot i que la computació quàntica està en les seves primeres etapes (GMV va instal·lar el 2023 el primer ordinador quàntic a Espanya), el seu potencial per a la indústria ja s’està explorant. 

En aquest context, GMV lidera CUCO, un projecte de recerca aplicada centrat en el desenvolupament d’algorismes quàntics per a sectors estratègics.

Un dels casos d’ús més prometedors és la planificació de satèl·lits d’observació de la Terra (Satellite Mission Planning Problem, SMMP). La selecció d’imatges òptimes a capturar, respectant restriccions de temps, emmagatzematge i geometria orbital, representa un desafiament d’optimització combinatòria, una variant del problema de la motxilla.

Hem analitzat més de 30 escenaris i provat diferents tecnologies quàntiques, incloent-hi màquines de recuita de D-Wave, algorismes híbrids quanticoclàssics i optimització quàntica variacional.

Els resultats han estat prometedors i, tot i que encara estem lluny de demostrar un avantatge quàntic en aplicacions pràctiques, la computació quàntica obre noves possibilitats per a la planificació de missions espacials.

De la teoria quàntica a l’espai

“Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical.” – Richard Feynman

I a GMV ho sabem bé.

Les tecnologies quàntiques han passat del laboratori a l’enginyeria aplicada, i la seva integració en el sector espacial avança amb pas ferm. 

El futur quàntic de l’espai ja està en marxa i GMV continua liderant el camí.

Autor: Juan Carlos Gil