Сколько спутников нужно для запуска глобального квантового интернета?

Космический квантовый интернет превзойдет наземные сети

Космическая квантовая сеть существенно превосходит наземные сети квантовых повторителей по производительности. Для создания глобального квантового интернета потребуется вывести на орбиту более 400 спутников на высоте около 3000 км (1900 миль).

Почему нужен квантовый интернет?

Наиболее полезное применение квантовой механики — защищенная связь через квантовое распределение ключей (QKD). Квантовый интернет — мечта многих технологов — позволит выполнять другие задачи обработки квантовой информации: синхронизацию квантовых часов, квантовую телепортацию, распределенную квантовую метрологию и 센синг.

Это означает, что квантовый интернет сможет защитить всё: от личных сообщений и договоров до финансовых транзакций. А поскольку будущие квантовые компьютеры смогут взломать существующие алгоритмы шифрования, такая безопасность станет необходимостью.

Вызов глобального масштаба

Построение глобального квантового интернета — серьезный экспериментальный вызов. Недавно команда исследователей из Университета Луизианы представила наиболее экономичный метод его реализации.

Суть метода — создание созвездия квантовых спутников, непрерывно рассылающих запутанные фотоны на Землю. Возникают два главных вопроса:

1. Сколько спутников нужно для глобального покрытия, превосходящего наземные квантовые повторители?
2. На какой высоте их следует разместить?

Основы: квантовая запутанность

Ключевая особенность такой сети — квантовая запутанность: феномен, при котором две квантовые частицы остаются связанными независимо от расстояния. Действия над одной мгновенно влияют на другую.

Ученые используют пары фотонов, созданных одновременно, для распределения запутанности. Передавая фотоны в разные точки, можно использовать их связь для секретной передачи сообщений.

Однако запутанность крайне хрупка. Даже минимальное взаимодействие фотона со средой разрывает связь. В оптоволокне или атмосфере фотоны взаимодействуют с атомами, поэтому с текущими технологиями запутанность передается всего на несколько сотен километров.

Два подхода к построению квантового интернета

1. Наземные квантовые повторители — устройства, измеряющие квантовые характеристики пришедших фотонов и передающие их новым фотонам. Метод сохраняет запутанность, но подвержен ошибкам и потребует лет для внедрения (повторитель каждые ~200 км).

2. Космическая передача — создание запутанных пар фотонов на орбите и их рассылка на две наземные станции. Станции смогут обмениваться информацией с абсолютной секретностью.

Китай уже проводил эксперименты: в 2016 году запущен спутник «Моци» для квантовых оптических эксперитов на больших расстояниях. В таком сценарии фотоны проходят только последние 20 км через атмосферу, что позволяет передавать их на гораздо большие расстояния.

Оптимизация ресурсов: 400 спутников на 3000 км

Строительство и запуск спутников стоит миллионы долларов, поэтому их число нужно минимизировать без потери покрытия. Исследователи смоделировали сеть и выявили ключевые компромиссы:

• Меньше спутников на большей высоте дают глобальное покрытие, но увеличивают потери фотонов.
• Спутники на низкой орбите покрывают только короткие расстояния между станциями.

Оптимальный компромисс: около 400 спутников на высоте ~3000 км. Для сравнения: GPS использует 24 спутника на высоте 20 000 км.

Максимальное расстояние между наземными станциями будет ограничено ~7500 км (4700 миль). Это позволяет связать Нью-Йорк и Лондон (5560 км), но не Хьюстон и Лондон (7800 км).

Несмотря на это ограничение, космический квантовый интернет существенно превосходит наземные сети повторителей. Гибридные сети, сочетающие космическую и наземную связь, могут превратить эту visión в реальность.