La cuántica despega (literalmente)

Con esa célebre frase, tantas veces sacada de contexto, Feynman quiso expresar que no es posible desarrollar una intuición sobre la cuántica basada en nuestra experiencia cotidiana, alejada del mundo de lo muy pequeño, lo muy frío y lo muy aislado. Sin embargo, los principios cuánticos están profundamente comprendidos, permitiéndonos desarrollar tecnologías con un impacto tangible en la sociedad.

En GMV, no solo entendemos la mecánica cuántica, sino que la aplicamos para transformar el sector espacial.

Desde la distribución cuántica de claves para comunicaciones seguras hasta la optimización en la captura de imágenes satelitales, las tecnologías cuánticas han pasado de ser una curiosidad teórica a convertirse en herramientas esenciales en el espacio, dando el salto del laboratorio a la órbita.

A continuación, exploramos cómo GMV está liderando esta revolución en el ámbito espacial con proyectos innovadores en comunicaciones, metrología, navegación y computación cuánticas.

Dos revoluciones cuánticas y su impacto en el espacio

El desarrollo de las tecnologías cuánticas ha ocurrido en dos grandes olas:

La primera revolución tecnológica impulsada por la cuántica se basó en la aplicación de principios cuánticos “gruesos”, a menudo expresables de forma semiclásica. Ejemplos de estas tecnologías son los transistores, pilares de la electrónica moderna, incluyendo los sistemas embarcados en satélites; los relojes atómicos, esenciales en sistemas de navegación por satélite como Galileo y en cualquier entorno donde se necesite precisión de sincronización por debajo del nanosegundo; y los láseres, utilizados en comunicaciones ópticas con ingenios espaciales.

La segunda ola, ya en este siglo, aprovecha fenómenos sutiles, íntimamente cuánticos, como la superposición, el entrelazamiento, la interferencia y el efecto túnel para desarrollar tecnologías de vanguardia.

GMV ha llevado estos avances al espacio en diversos proyectos estratégicos.

Caramuel: distribución cuántica de claves desde el espacio

La distribución cuántica de claves (QKD) permite establecer canales de comunicación teóricamente inviolables gracias a la naturaleza misma de la mecánica cuántica.

Aunque QKD se ha implementado principalmente sobre fibra óptica, su uso en el espacio ofrece ventajas significativas, aunque también plantea desafíos técnicos considerables.

Frente a experimentos pioneros como el satélite chino Mozi (Micius en inglés) o la misión europea Eagle-1 (para la que GMV ha desarrollado el centro de control), una iniciativa española busca proporcionar un servicio comercial de QKD desde la órbita geoestacionaria.

GMV ha participado en Caramuel, la fase de estudio de viabilidad y diseño preliminar de este proyecto, en el que nos hemos encargado del segmento terreno del sistema, incluyendo la destilación de las claves, gestión de la cadena criptográfica, control del satélite y estaciones ópticas, así como la planificación de la misión.

Carioqa: sensores cuánticos en el espacio

La metrología cuántica utiliza sensores cuánticos, altamente sensibles a los cambios en su entorno, para medir magnitudes físicas con una precisión sin precedentes.

El proyecto Carioqa (Cold Atom Rubidium Interferometer in Orbit for Quantum Accelerometry) tiene como objetivo concebir, construir, cualificar y volar en 2030 el primer acelerómetro cuántico en el espacio. Este instrumento permitirá medir minúsculas variaciones en el campo gravitatorio terrestre debidos al derretimiento de glaciares, movimientos tectónicos y variaciones del agua subterránea. Además, como resultado científico "colateral", la misión permitirá comprobar con una precisión sin precedentes el principio de equivalencia débil.

GMV contribuye a Carioqa con el análisis de la misión.

Quantico: navegación cuántica segura desde el espacio

Los sistemas actuales de Posicionamiento, Navegación y Tiempo (PNT) desde el espacio enfrentan amenazas como el spoofing (suplantación de señal) o el jamming (interferencias). 

La solución puede venir de la cuántica. 

En GMV hemos diseñado, desarrollado y validado Quantico, un prototipo que combina metrología cuántica y técnicas inspiradas en la distribución cuántica de claves para medir con alta precisión y seguridad la diferencia de tiempo entre dos relojes y su pseudorrango asociado. 

En pruebas de laboratorio y campo, simulando condiciones de órbita baja, hemos logrado una precisión de 6 cm en el cálculo de pseudorrangos, lo que convierte a Quantico en una alternativa viable para sistemas de navegación por satélite más seguros.

CUCO: computación cuántica para desafíos en el espacio

Aunque la computación cuántica está en sus primeras etapas (GMV instaló en 2023 el primer ordenador cuántico en España), su potencial para la industria ya está siendo explorado. 

En este contexto, GMV lidera CUCO, un proyecto de investigación aplicada centrado en el desarrollo de algoritmos cuánticos para sectores estratégicos.

Uno de los casos de uso más prometedores es la planificación de satélites de observación de la Tierra (Satellite Mission Planning Problem, SMMP). La selección de imágenes óptimas a capturar, respetando restricciones de tiempo, almacenamiento y geometría orbital, representa un desafío de optimización combinatoria, una variante del problema de la mochila.

Hemos analizado más de 30 escenarios y probado distintas tecnologías cuánticas, incluyendo máquinas de recocido de D-Wave, algoritmos híbridos cuántico-clásicos y optimización cuántica variacional.

Los resultados han sido prometedores, y aunque aún estamos lejos de demostrar una ventaja cuántica en aplicaciones prácticas, la computación cuántica abre nuevas posibilidades para la planificación de misiones espaciales.

De la teoría cuántica al espacio

"La naturaleza no es clásica, maldita sea, y si quieres hacer una simulación de la naturaleza, más te vale que sea mecánico-cuántica." – Richard Feynman

Y en GMV lo sabemos bien.

Las tecnologías cuánticas han pasado del laboratorio a la ingeniería aplicada, y su integración en el sector espacial avanza con paso firme. 

El futuro cuántico del espacio ya está en marcha, y GMV sigue liderando el camino.

Autor: Juan Carlos Gil