Сколько спутников потребуется для создания квантового Интернета?

• Космический квантовый Интернет существенно превзойдет наземные сети квантовых повторителей.
• Для создания квантового Интернета в глобальном масштабе потребуется разместить более 400 спутников на высоте 1900 миль.

Наиболее полезное применение квантовой механики - это возможность осуществлять безопасную связь посредством распределения квантовых ключей. Квантовый Интернет - мечта многих технологов - позволил бы выполнять другие задачи обработки квантовой информации, включая синхронизацию квантовых часов, квантовую телепортацию, а также распределенную квантовую метрологию и зондирование.

Это означает, что квантовый Интернет может защитить все, от личных сообщений и контрактов до финансовых транзакций. А поскольку будущие квантовые компьютеры смогут взламывать существующие алгоритмы шифрования, такая безопасность станет необходимой.

Но создание квантового Интернета в глобальном масштабе - сложная экспериментальная задача. Недавно группа исследователей из Университета штата Луизиана представила наиболее экономичный метод для этого.

Он включает в себя создание группы спутников с квантовыми функциями, которые могут непрерывно передавать запутанные фотоны на землю. При рассмотрении такого подхода возникают два основных вопроса:

1) Сколько спутников требуется для достижения глобального покрытия, превосходящего по характеристикам наземные конфигурации с квантовыми повторителями?

2) На какой высоте следует размещать эти спутники?

Для начала

Наиболее важной особенностью такой сети является квантовая запутанность - явление, при котором две квантовые частицы имеют одно и то же существование, даже если они разделены большим расстоянием. Запутанные частицы остаются связанными, и действия, выполняемые с одной, влияют на другую.

Ученые в основном используют пары фотонов (созданные в один и тот же момент) для распределения запутанности. Когда вы отправляете фотоны в разные места, вы можете использовать их запутанность для отправки защищенных сообщений.

Однако запутывание (которое связывает фотоны) чрезвычайно хрупкое, и его трудно сохранить. Даже крошечное взаимодействие между фотоном и окружающей его средой может разорвать связь.

Обычно это происходит при передаче запутанных фотонов напрямую через оптические волокна или атмосферу. Эти фотоны взаимодействуют с другими атомами в стекле или атмосфере. С существующими технологиями запутанность может быть разделена всего на несколько сотен миль.

Итак, как построить квантовый Интернет?

Есть два варианта:первый предполагает использование устройств, называемых квантовыми повторителями, которые оценивают квантовые характеристики, как только они прибывают, и передают их новым фотонам, которые отправляются на их пути. Хотя он может сохранить запутанность, метод подвержен ошибкам и может занять несколько лет для внедрения.

Второй вариант предполагает создание в космосе запутанных пар фотонов и их трансляцию на две наземные станции в разных местах. Станции смогут обмениваться информацией в полной секретности.

Китай уже проводил квантовые эксперименты в космическом масштабе. В 2016 году они запустили спутник Micius, чтобы облегчить эксперименты по квантовой оптике на больших расстояниях.

В таких спутниковых сценариях фотоны преодолевают только последние 13 миль своего путешествия через атмосферу. Таким образом, они могут путешествовать намного дальше (учитывая, что спутник находится не слишком близко к горизонту).

Ссылка:arXiv:1912.06678

По мнению исследователей, подобная сеть спутников (если будет реализована в большом масштабе) создаст более эффективный глобальный квантовый Интернет. Чтобы безопасно отправлять / получать информацию, две наземные станции должны одновременно связываться с одним и тем же спутником, чтобы обе станции получали запутанные фотоны со спутника.

Минимизация ресурсов

Строительство и запуск спутников обходятся в миллионы долларов, поэтому важно, чтобы количество спутников в сети было как можно меньше без ущерба для зоны покрытия.

Исследователи смоделировали такую ​​сеть и обнаружили, что необходимо учитывать несколько важных компромиссов. Например, меньшее количество спутников, размещенных на больших высотах, может обеспечить глобальное покрытие, но это может привести к большим потерям фотонов. Принимая во внимание, что спутники на более низких высотах могут покрывать только меньшие расстояния между наземными станциями.

По мнению исследовательской группы, лучшим компромиссом будет сеть из примерно 400 спутников, летающих на высоте 1900 миль. Для сравнения:у GPS есть 24 спутника, работающие на высоте 12500 миль.

Однако максимальное расстояние между двумя наземными станциями по-прежнему будет ограничено 4 700 милями. Это означает, что такая сеть может поддерживать безопасную связь между Нью-Йорком и Лондоном (3459 миль друг от друга), но не между Хьюстоном и Лондоном (4846 миль друг от друга).

Несмотря на этот серьезный недостаток, космический квантовый Интернет будет существенно превосходить наземные сети квантовых повторителей (где один повторитель должен быть установлен на каждые 120 миль).

Прочтите:18 самых интересных фактов о квантовых компьютерах

Хотя гибридные сети, соединяющие космические платформы квантовой связи с наземными квантовыми ретрансляторами, могут превратить это видение в реальность.