21.10.2020

Сколько спутников потребуется для построения квантового интернета?

Квантовый интернет космического базирования будет существенно превосходить наземные сети квантовых ретрансляторов.
Для создания квантового интернета глобального масштаба потребуется разместить более 400 спутников на высоте 3000 км.

Наиболее полезным применением квантовой механики является способность осуществлять безопасную связь посредством распределения квантовых ключей. Квантовый Интернет — мечта многих технологов — позволит выполнять другие задачи по обработке квантовой информации, включая синхронизацию квантовых часов, квантовую телепортацию и распределенную квантовую метрологию и зондирование.

Это означает, что квантовый интернет может обеспечить безопасность всего: от личных сообщений и контрактов до финансовых транзакций. И поскольку грядущие квантовые компьютеры смогут взломать существующие алгоритмы шифрования, такой вид безопасности станет необходимым.

Но создание квантового интернета глобального масштаба — это сложная экспериментальная задача. Недавно группа исследователей из Университета штата Луизиана представила наиболее экономически эффективный метод для этого.

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

1) Сколько спутников требуется для достижения глобального покрытия, которое превосходит наземные конфигурации квантовых ретрансляторов?

2) На какой высоте эти спутники должны быть размещены?

Сначала немного предыстории

Наиболее важной особенностью такой сети является квантовая запутанность — явление, когда две квантовые частицы имеют одинаковое существование, даже если они разделены большим расстоянием. Запутанные частицы остаются связанными, и действия, выполняемые над одной, влияют на другую.

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

Однако запутанность (которая связывает фотоны) чрезвычайно хрупка и ее трудно сохранить. Даже крошечное взаимодействие между фотоном и окружающей средой может разорвать связь.

Обычно это происходит при передаче запутанных фотонов непосредственно через оптические волокна или атмосферу. Эти фотоны взаимодействуют с другими атомами в стекле или атмосфере. С существующей технологией запутанность может быть разделена только несколькими сотнями километров.

Так как же построить квантовый интернет?

Есть два варианта: первый включает использование устройств, называемых квантовыми повторителями, которые оценивают квантовые характеристики, как только они приходят, и передают их новым фотонам, которые отправляются на их пути. Хотя это может сохранить запутанность, методика подвержена ошибкам и может занять несколько лет.

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

Китай уже провел квантовые эксперименты в космическом масштабе. В 2016 году они запустили спутник под названием Micius для проведения экспериментов по квантовой оптике на больших расстояниях.

В таких спутниковых сценариях фотоны покрывают только последние 20 км пути в атмосфере. Таким образом, они могут перемещаться гораздо дальше (учитывая, что спутник не слишком близко к горизонту).

По мнению исследователей, подобная сеть спутников (если она будет реализована в больших масштабах) создаст более эффективный глобальный квантовый интернет. Для безопасной отправки/получения информации две наземные станции должны в один и тот же момент связываться с одним и тем же спутником, чтобы обе станции принимали со спутника запутанные фотоны.

Минимизация ресурсов

Строительство и запуск спутников стоят миллионы долларов, именно поэтому важно поддерживать как можно меньшее количество спутников в сети без ущерба для покрытия.

Исследователи смоделировали такую ​​сеть и обнаружили, что есть несколько важных компромиссов, которые следует рассмотреть. 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 более короткие расстояния между наземными станциями.

По мнению исследовательской группы, лучшим компромиссом будет сеть из 400 спутников, летящих на высоте 3000 км. Чтобы представить это в перспективе, у GPS есть 24 спутника, работающих на высоте 20 000 км.

Однако максимальное расстояние между двумя наземными станциями по-прежнему будет ограничено до 7500 км. Это означает, что такая сеть может поддерживать безопасную связь между Нью-Йорком и Лондоном (на расстоянии 5500 км), но не между Хьюстоном и Лондоном (на расстоянии 7700 км).

Несмотря на этот существенный недостаток, космический квантовый Интернет будет значительно превосходить наземные сети квантовых ретрансляторов (где один ретранслятор должен быть установлен на каждые 190 км).

Хотя гибридные сети, взаимодействующие с космическими квантовыми коммуникационными платформами с наземными квантовыми ретрансляторами, могут превратить это видение в реальность.

Источник