Kāpēc kvantu internets jābūvē kosmosā

Kvantu satelīti MS Tech / Avots: NASA

Kvantu internets ir sapnis, ko pēdējos gados ir izskaidrojuši daudzi tehnologi. Ideja ir izmantot dīvainās fotonu un elektronu kvantu īpašības, lai nosūtītu ziņojumus ar pilnīgu slepenību.

Tam ir acīmredzams pielietojums valdībām un militārpersonām, taču tas arvien vairāk interesē bankas un citas komerciālas operācijas, kurām ir jānodrošina viss, sākot no līgumiem līdz finanšu darījumiem. Turklāt šāda veida drošība ir arvien vairāk nepieciešama, jo kvantu datori varēs izjaukt kodus, kas pašlaik tiek izmantoti, lai daudzi ziņojumi būtu privāti.

Un tas rada interesantu jautājumu: kā zinātniekiem un inženieriem vajadzētu rīkoties, lai izveidotu kvantu internetu, kas aptver visu pasauli?

Šodien mēs saņemam atbildi, pateicoties Sumeet Khatri un kolēģu darbam Luiziānas štata universitātē Batonrūžā. Šī komanda ir pētījusi dažādus veidus, kā var izveidot kvantu internetu, un saka, ka visrentablākā pieeja ir izveidot kvantu iespējotu satelītu konstelāciju, kas spēj nepārtraukti raidīt uz zemes sapinušos fotonus. Citiem vārdiem sakot, kvantu internetam vajadzētu būt kosmosā.

Vispirms nedaudz fona. Jebkura kvantu tīkla pamatā ir dīvainā sapīšanās īpašība. Šī ir parādība, kurā divām kvantu daļiņām ir viena un tā pati eksistence, pat ja tās atdala milzīgs attālums. Tas nodrošina, ka vienas no šīm daļiņām mērījums nekavējoties ietekmē otru, un tas ir brīnums, ko Einšteins nosauca par spokainu darbību no attāluma.

Fiziķi parasti izplata sapīšanos, izmantojot fotonu pārus, kas izveidoti vienā un tajā pašā brīdī. Kad fotoni tiek sūtīti uz dažādām vietām, tos savienojošos savienojumus var izmantot, lai nosūtītu drošus ziņojumus.

Problēma ir tā, ka sapīšanās ir trausla un grūti saglabājama. Jebkura neliela mijiedarbība starp vienu no fotoniem un tā vidi sarauj saikni. Patiešām, tieši tas notiek, kad fiziķi pārraida sapinušos fotonus tieši caur atmosfēru vai caur optiskajām šķiedrām. Fotoni mijiedarbojas ar citiem atomiem atmosfērā vai stiklā, un sapīšanās tiek iznīcināta. Izrādās, ka maksimālais attālums, kādā sapīties šādā veidā var dalīt, ir tikai daži simti kilometru.

Kā tad izveidot kvantu internetu, kas dala sapīšanos visā pasaulē? Viena iespēja ir izmantot kvantu atkārtotājus — ierīces, kas mēra fotonu kvantu īpašības, kad tie nonāk, un pēc tam pārnes šīs īpašības uz jauniem fotoniem, kas tiek nosūtīti ceļā. Tādējādi tiek saglabāta sapīšanās, ļaujot tam pāriet no viena atkārtotāja uz nākamo. Tomēr šī tehnoloģija ir ļoti eksperimentāla un vairākus gadus kopš komerciālas izmantošanas.

Tātad vēl viena iespēja ir izveidot sapinušos fotonu pārus kosmosā un pārraidīt tos uz divām dažādām bāzes stacijām uz zemes. Pēc tam šīs bāzes stacijas sapinās, ļaujot tām apmainīties ar ziņojumiem pilnīgi slepeni.

2017. gadā ķīniešu satelīts ar nosaukumu Micius pirmo reizi parādīja, ka sapīšanos patiešām var dalīt šādā veidā. Izrādās, ka fotoni var ceļot daudz tālāk šajā scenārijā, jo tikai pēdējie aptuveni 20 kilometri no ceļojuma notiek caur atmosfēru, ja satelīts atrodas augstu debesīs un nav pārāk tuvu horizontam.

Khatri un kolēģi saka, ka līdzīgu satelītu konstelācija ir daudz labāks veids, kā izveidot globālu kvantu internetu. Galvenais ir tas, ka, lai droši sazinātos, divām zemes stacijām ir jāspēj vienlaikus redzēt vienu un to pašu satelītu, lai abas varētu saņemt no tā sapinušos fotonus.

Kādā augstumā satelītiem vajadzētu lidot, lai nodrošinātu pēc iespējas plašāku pārklājumu? Un cik to vajadzēs? Tā kā satelīti pašlaik ir dārgs resurss, mēs vēlētos, lai tīklā būtu pēc iespējas mazāk satelītu, vienlaikus saglabājot pilnīgu un nepārtrauktu pārklājumu, saka Khatri un citi.

Lai to noskaidrotu, komanda modelēja šādu zvaigznāju. Izrādās, ka ir jāņem vērā vairāki svarīgi kompromisi. Piemēram, mazāk satelītu var nodrošināt globālu pārklājumu, kad tie riņķo lielā augstumā. Bet lielāks augstums izraisa lielākus fotonu zudumus.

Turklāt satelīti zemākā augstumā var aptvert tikai mazākus attālumus starp bāzes stacijām, jo ​​abiem ir jāspēj redzēt vienu un to pašu satelītu vienlaikus.

Ņemot vērā šos ierobežojumus, Khatri un viņa kolēģi ierosina, ka labākais kompromiss ir vismaz 400 satelītu konstelācija, kas lido aptuveni 3000 kilometru augstumā. Turpretim GPS darbojas ar 24 satelītiem.

Arī tad maksimālais attālums starp bāzes stacijām tiks ierobežots līdz aptuveni 7500 kilometriem. Tas nozīmē, ka šāda sistēma varētu atbalstīt drošu ziņojumapmaiņu starp Londonu un Mumbaju, kas atrodas 7200 km attālumā viena no otras, bet ne starp Londonu un Hjūstonu, kas atrodas 7800 km attālumā viena no otras, vai pat starp pilsētām, kas atrodas tālāk viena no otras. Tas ir būtisks trūkums.

Neskatoties uz to, kosmosa kvantu internets ievērojami pārspēj uz zemes esošās kvantu atkārtotāju sistēmas, saka Khatri un citi. Atkārtotāji būtu izvietoti mazāk nekā 200 kilometru attālumā, tāpēc lielu attālumu pārvarēšanai būtu nepieciešams liels to skaits. Tas ievieš savus ierobežojumus kvantu internetam. Tādējādi mēs atklājam, ka satelīti piedāvā ievērojamas priekšrocības salīdzinājumā ar uz zemes balstītu sapīšanās izplatību, saka Khatri un citi.

Protams, šāda sistēma prasītu ievērojamus ieguldījumus. Ķīnai ir acīmredzama priekšrocība, jo tā jau ir izmēģinājusi orbītā esošu satelītu ar šāda veida tehnoloģiju. Un tai ir plāni iet tālāk.

Turpretim Eiropai un ASV, šķiet, šajā ziņā ir mazāk ambīciju. Tas varētu ātri mainīties, ja šī tehnoloģija var pierādīt savu vērtību. ja tā, tad kvantu kosmosa sacīkstes var tikko uzkarst.

Atsauce: arxiv.org/abs/1912.06678 : Spokaina darbība globālā attālumā — uz kosmosu balstīta kvantu interneta sapīšanās-izplatīšanas tīkla resursu ātruma analīze

paslēpties