La red cuántica más grande de Europa está en Madrid

En la misma fibra óptica que transporta los bits de este artículo que escribo, probablemente haya cúbits, esto es partículas cuánticas, fotones que transmiten información. Si estás leyendo desde España, probablemente esos cúbits están viajando en la misma fibra óptica con los bits tradicionales de la foto que acabas de subir a Instagram, o del mensaje que has enviado por WhatsApp. No puedes verlos, no hacen que tus bits tradicionales vayan más rápido, pero son parte de la red de comunicaciones cuánticas más grande de Europa, que está en Madrid. Y que será parte en los próximos años de una red cuántica que cubra toda Europa, según el objetivo previsto.

MadQCI (Madrid Quantum Communication Infrastructure) es una red cuántica “del mundo real”, en contraposición a experimentos cuánticos que se hacen en laboratorios. Está ubicada en Madrid, en el área metropolitana, y se despliega en diversos nodos de producción. Sus conexiones cuánticas van entre los 4 y los 40 kilómetros, y el anillo puede tener unos 20 km de circunferencia. 

Vista aérea de la red cuántica localizada en Madrid | V. Martín

La vemos extenderse como una red de colores sobre una vista aérea de Madrid que nos muestra Vicente Martín, el coordinador del Grupo de Investigación en Información Cuántica de la Universidad Politécnica de Madrid. En él recae tanto la coordinación científica general del programa, como la del proyecto de la Comunidad de Madrid. 

El color verde en el mapa significa que la conexión está totalmente implementada, el amarillo indica que se encuentra en desarrollo y el rojo designa al anillo de Telefónica, que participa en varios proyectos de esta red.  

Muchas siglas para una gran red cuántica

Centros de investigación, universidades, empresas y gobiernos se unen para el desarrollo de redes de comunicaciones cuánticas y la estandarización de protocolos, procesos e interfaces necesarios para su posterior industrialización. La coordinación es necesaria cuando múltiples instituciones y equipos trabajan desde hace años en torno a un objetivo complejo como este. 

Martín echa la vista atrás y recuerda que en 2006 establecieron la primera línea de comunicaciones cuánticas, un sistema de criptografía cuántica entre dos puntos, en colaboración con Telefónica. En 2008 hicieron unos pilotos que se instalaron en laboratorios de esta empresa y luego han seguido evolucionando con proyectos y filosofías distintas. En 2018 dieron el último empujón a la red con proyectos de la Comunidad de Madrid, en tres instalaciones de Telefónica en Madrid. 

En la foto pequeña, la fibra óptica dentro del laboratorio de Telefónica

A esta última versión de esta red cuántica madrileña se ha llegado principalmente gracias a la coordinación estratégica con proyectos europeos, como CiViQ (Continuous Variables Quantum Communications), perteneciente al Quantum Flagship y el OpenKQD, -en el que participa la Universidad Politécnica, Telefónica e IMDEA Software- y es considerado el primer paso de la ambiciosa European Quantum Communication Infrastructure (EuroQCI). En esta red también participan Telefónica y RedIMadrid. “Estamos dando los primeros pasos hacia una red cuántica europea que cubrirá todo el continente”, dice Martín. 

Los Planes Complementarios de Comunicación Cuántica cofinanciados por el Estado nacional también ayudarán a financiar el proyecto, en el que participan 6 comunidades autónomas (Castilla y León, Cataluña, Galicia, País Vasco, Madrid y Comunidad Valenciana) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas. 

La futura red cuántica europea

El proyecto EuroQCI está presente en varios países europeos, cuyas redes se unirán en un futuro. Los nodos más grandes son Madrid, Viena, Berlín, Poznan. El resto son notablemente más pequeños de Madrid, y son pruebas de concepto, que no tienen más de tres enlaces. 

Nodos de redes cuánticas en el proyecto EuroQCI | V. Martín

“A nosotros lo que nos interesaba es montar una red que sea operativa de verdad, no tanto la cantidad de nodos o el tamaño”, dice Martín. “Lo que nos interesaba sobre todo es tener muchos fabricantes distintos, que todos funcionen bajo el mismo software, bajo el mismo control de red -que es lo que estamos haciendo nosotros-, no sólo fabricantes de sistemas cuánticos, sino fabricantes de sistemas de transporte óptico, fabricantes de cifradores». 

En MadQCI interesaba además hacer una red flexible. «Que pudiésemos reconfigurar dinámicamente para dar las distintas topologías, las distintas conexiones según quisiéramos y además ponerla en una infraestructura de comunicaciones funcional, que esté funcionando desde antes”, explica su coordinador. 

Cúbits corriendo por nuestras fibras ópticas 

MadQCI, además de ser la mayor de Europa, también tiene el mayor número de dispositivos cuánticos conectados, entre emisores y receptores. El coordinador del proyecto, sin embargo, pone el foco en otro aspecto: “Lo importante para nosotros no es tanto el tamaño de la red sino que las comunicaciones cuánticas están circulando simultáneamente con la comunicación clásica, la que recibimos todos los días”, dice Martín. Esta era una de las demostraciones que querían hacer, y donde está el objetivo del proyecto, que está orientado a la criptografía cuántica. 

En Madrid se trabaja desde tiempo en la tecnología de Distribución de Clave Cuántica (Quantum Key Distribution, QKD) que es, de todas las tecnologías cuánticas la que está en un estado más avanzado, y que incluso, permite aplicaciones comerciales.

“Todo esto lo estamos conectando con equipamiento óptico tradicional, redes que estaban tendidas, que no se han hecho a posta para pasar señales cuánticas. Se necesita mucho dinero para construir infraestructura desde cero, por lo que eso es muy difícil de vender”, explica Martín.

“De esta manera, tienes unas posibilidades de dar utilidad a todo esto para gente que requiere mucha seguridad, desde instituciones gubernamentales hasta quienes la necesitan por el tipo de información que se transmite, desde banca a datos de salud, por ejemplo.”

El problema de la pérdida de fotones en una red cuántica

La red cuántica de Madrid va sobre nuestra fibra óptica de todos los días, simultáneamente con los bits tradicionales que usamos a diario. Las comunicaciones cuánticas emiten señales de un solo fotón (o cúbit). Pensemos que en un solo pulso de una señal óptica tradicional van unos 100 millones de fotones, y es necesario distinguir ese fotón de cualquier otro, porque es el que lleva la información.

 “Si cualquiera del resto de fotones se pasa al canal cuántico, la has liado, porque te estropea las comunicaciones”, dice Martín. Además de eso la fibra óptica, aunque es muy transparente, absorbe señal. ¿Qué significa esto? 

Si llevas una señal en un fotón, y si ese fotón se extravía, se pierde la información completa. No es lo mismo que perder un fotón en una señal que tiene diez elevado a ocho fotones por segundo. Para entender la magnitud de la pérdida, imaginemos que tenemos un láser que mete mil millones de fotones en una fibra óptica: la tabla siguiente muestra cuántos están saliendo por el otro extremo después de cierta distancia de fibra óptica. Con 15 km de fibra salen cinco con diez elevado a ocho, y a los 300 km te salen mil fotones. Pero es que al cabo de 600 km te sale un fotón cada veinte minutos. 

Ciento cincuenta kilómetros es un resultado bastante factible en redes “realistas” como la de Madrid. Mayores distancias, como hasta 800 km se han demostrado, por ejemplo, usando satélites o de forma experimental. “Una cosa es lo que se demuestra en un laboratorio y otra lo que tú puedes poner en práctica en una red real”, recuerda Martín. 

Servicios cuánticos para el futuro

Toda la red madrileña de comunicaciones cuánticas pasará a ser permanente, por lo menos durante los próximos 10 años, que es la duración prevista de EuroQCI. 

“Queremos que evolucione hacia algo que sea útil a la sociedad en general”, dice Martín, que señala que tienen planificado “conectar cosas del Ministerio del Interior, de Defensa, que al principio serán experimentales pero a medida que todo evolucione acabarán dando servicios, la tecnología será validada y el Ministerio podrá considerarla para el estado de producción. También piensa que habrá empresas interesadas en estos servicios, porque ya están invirtiendo en estas tecnologías, como Indra, Telefónica, Tecnobit, GMV o Hispasat. 

Según Martín, “poniendo entre comillas un poco las cosas, ya se pueden dar servicios comerciales con esto”. Los servicios se están ofreciendo en entornos limitados, no con una red completa sino tipo punto a punto, donde los sistemas de criptografía cuántica se mezclan con sistemas de criptografía clásicos, y con personas que entienden el alcance de esta tecnología.