Dlaczego internet kwantowy powinien być budowany w kosmosie

Satelity kwantowe MS Tech / Źródło: NASA

Internet kwantowy to marzenie, które wielu technologów wyjaśniało w ostatnich latach. Pomysł polega na wykorzystaniu dziwnych właściwości kwantowych fotonów i elektronów do wysyłania wiadomości z zachowaniem pełnej tajemnicy.

Ma to oczywiste zastosowanie dla rządów i wojska, ale jest coraz bardziej interesujące dla banków i innych operacji komercyjnych, które muszą zabezpieczyć wszystko, od kontraktów po transakcje finansowe. Co więcej, tego rodzaju zabezpieczenia są coraz bardziej potrzebne, ponieważ komputery kwantowe będą w stanie złamać kody używane obecnie do zachowania prywatności wielu wiadomości.

Rodzi to interesujące pytanie: jak naukowcy i inżynierowie powinni podejść do zadania zbudowania Internetu kwantowego obejmującego cały świat?

Dziś otrzymujemy odpowiedź dzięki pracy Sumeeta Khatri i kolegów z Louisiana State University w Baton Rouge. Zespół ten zbadał różne sposoby budowy Internetu kwantowego i stwierdził, że najbardziej opłacalnym podejściem jest stworzenie konstelacji satelitów kwantowych zdolnych do ciągłego przesyłania splątanych fotonów na ziemię. Innymi słowy, internet kwantowy powinien być oparty na przestrzeni kosmicznej.

Najpierw trochę tła. Sercem każdej sieci kwantowej jest dziwna właściwość splątania. Jest to zjawisko, w którym dwie cząstki kwantowe dzielą ten sam byt, nawet jeśli są oddzielone ogromnymi odległościami. Zapewnia to, że pomiar jednej z tych cząstek natychmiast wpływa na drugą, co jest cudem, który Einstein nazwał upiornym działaniem na odległość.

Fizycy zwykle rozprowadzają splątanie za pomocą par fotonów utworzonych w tym samym punkcie i chwili. Gdy fotony są wysyłane do różnych lokalizacji, łączące je splątanie może zostać wykorzystane do wysyłania bezpiecznych wiadomości.

Problem polega na tym, że splątanie jest delikatne i trudne do utrzymania. Każda drobna interakcja między jednym z fotonów a jego otoczeniem powoduje zerwanie połączenia. Rzeczywiście, dokładnie tak się dzieje, gdy fizycy przesyłają splątane fotony bezpośrednio przez atmosferę lub przez światłowody. Fotony oddziałują z innymi atomami w atmosferze lub szkle i splątanie ulega zniszczeniu. Okazuje się, że maksymalna odległość, na jaką można w ten sposób dzielić splątanie, to zaledwie kilkaset kilometrów.

Jak zatem zbudować internet kwantowy, który dzieli uwikłania na całym świecie? Jedną z opcji jest użycie wzmacniaczy kwantowych — urządzeń, które mierzą właściwości kwantowe fotonów w momencie ich przybycia, a następnie przenoszą te właściwości na nowe fotony, które są wysyłane po ich drodze. Zachowuje to splątanie, pozwalając mu przeskakiwać od jednego przemiennika do drugiego. Jednak ta technologia jest wysoce eksperymentalna i kilka lat od komercyjnego wykorzystania.

Inną opcją jest stworzenie splątanych par fotonów w kosmosie i przesłanie ich do dwóch różnych stacji bazowych na ziemi. Te stacje bazowe zostają następnie splątane, co pozwala im wymieniać wiadomości z zachowaniem doskonałej tajemnicy.

W 2017 roku chiński satelita o nazwie Micius po raz pierwszy pokazał, że splątanie rzeczywiście można w ten sposób dzielić. Okazuje się, że fotony mogą podróżować znacznie dalej w tym scenariuszu, ponieważ tylko ostatnie 20 kilometrów podróży odbywa się przez atmosferę, pod warunkiem, że satelita znajduje się wysoko na niebie i niezbyt blisko horyzontu.

Khatri i spółka twierdzą, że konstelacja podobnych satelitów to znacznie lepszy sposób na stworzenie globalnego Internetu kwantowego. Kluczem jest to, że aby komunikować się bezpiecznie, dwie stacje naziemne muszą widzieć tego samego satelitę w tym samym czasie, aby obie mogły odbierać z niego splątane fotony.

Na jakiej wysokości satelity powinny latać, aby zapewnić jak największy zasięg? A ile będzie potrzebnych? Ponieważ satelity są obecnie drogim zasobem, chcielibyśmy mieć w sieci jak najmniej satelitów, przy jednoczesnym zachowaniu pełnego i ciągłego zasięgu, powiedzmy Khatri i spółka.

Aby się tego dowiedzieć, zespół wymodelował taką konstelację. Okazuje się, że należy wziąć pod uwagę szereg ważnych kompromisów. Na przykład mniej satelitów może zapewnić globalny zasięg podczas orbitowania na dużej wysokości. Jednak większe wysokości prowadzą do większych strat fotonów.

Ponadto satelity na niższych wysokościach mogą obejmować tylko krótsze odległości między stacjami bazowymi, ponieważ obie muszą widzieć tego samego satelitę w tym samym czasie.

Biorąc pod uwagę te ograniczenia, Khatri i spółka sugerują, że najlepszym kompromisem jest konstelacja co najmniej 400 satelitów lecących na wysokości około 3000 kilometrów. Natomiast GPS działa z 24 satelitami.

Nawet wtedy maksymalna odległość między stacjami bazowymi będzie ograniczona do około 7500 kilometrów. Oznacza to, że taki system może obsługiwać bezpieczną komunikację między Londynem a Bombajem, które są oddalone od siebie o 7200 km, ale nie między Londynem a Houston, oddalonymi od siebie o 7800 km – lub w rzeczywistości między dowolnymi miastami, które są od siebie oddalone. To znacząca wada.

Niemniej jednak kosmiczny internet kwantowy znacznie przewyższa naziemne systemy wzmacniaczy kwantowych, mówią Khatri i spółka. Wzmacniacze musiałyby być rozmieszczone w odstępach mniejszych niż 200 kilometrów, więc pokonywanie długich dystansów wymagałoby ich dużej liczby. Wprowadza to własny zestaw ograniczeń dla Internetu kwantowego. Stwierdzamy zatem, że satelity oferują znaczną przewagę nad naziemną dystrybucją splątania, mówią Khatri i spółka.

Oczywiście taki system wymagałby znacznych inwestycji. Chiny mają oczywistą przewagę, ponieważ przetestowały już orbitującego satelitę z tego rodzaju technologią. I planuje iść dalej.

Natomiast Europa i Stany Zjednoczone wydają się mieć pod tym względem mniejsze ambicje. To może się szybko zmienić, jeśli ta technologia udowodni swoją wartość. jeśli tak, kwantowy wyścig kosmiczny może się rozgrzać.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1912.06678 : Upiorne działanie na globalną odległość – analiza wskaźnika zasobów kosmicznej sieci dystrybucji splątania dla Internetu kwantowego

ukryć