Kodėl kvantinis internetas turėtų būti kuriamas erdvėje

Kvantiniai palydovai MS Tech / Šaltinis: NASA

Kvantinis internetas yra svajonė, kurią pastaraisiais metais išaiškino daugelis technologų. Idėja yra išnaudoti keistas kvantines fotonų ir elektronų savybes, kad pranešimai būtų siunčiami visiškai slaptai.

Tai akivaizdžiai taikoma vyriausybėms ir kariuomenei, tačiau tai vis labiau domina bankus ir kitas komercines operacijas, kurios turi užtikrinti viską nuo sutarčių iki finansinių sandorių. Be to, tokio saugumo vis labiau reikia, nes kvantiniai kompiuteriai galės sulaužyti šiuo metu naudojamus kodus, kad daugelis pranešimų būtų privatūs.

Ir tai kelia įdomų klausimą: kaip mokslininkai ir inžinieriai turėtų atlikti užduotį sukurti kvantinį internetą, apimantį visą pasaulį?

Šiandien mes gauname atsakymą dėka Sumeet Khatri ir jo kolegų iš Luizianos valstijos universiteto Baton Ruže. Ši komanda ištyrė įvairius būdus, kaip būtų galima sukurti kvantinį internetą, ir teigia, kad ekonomiškiausias būdas yra sukurti kvantinius palydovus, galinčius nuolat transliuoti įsipainiojusius fotonus į žemę. Kitaip tariant, kvantinis internetas turėtų būti kosmoso pagrindu.

Pirmiausia šiek tiek fono. Bet kurio kvantinio tinklo esmė yra keista įsipainiojimo savybė. Tai yra reiškinys, kai dvi kvantinės dalelės turi tą patį egzistavimą, net jei jas skiria dideli atstumai. Tai užtikrina, kad vienos iš šių dalelių matavimas iš karto paveiks kitą – tai stebuklas, kurį Einšteinas pavadino baisu veiksmu per atstumą.

Fizikai paprastai paskirsto įsipainiojimą naudodami fotonų poras, sukurtas tuo pačiu momentu ir akimirką. Kai fotonai siunčiami į skirtingas vietas, juos jungiantis susipynimas gali būti naudojamas saugiems pranešimams siųsti.

Problema ta, kad įsipainiojimas yra trapus ir sunkiai išlaikomas. Bet kokia nedidelė vieno iš fotonų ir jo aplinkos sąveika nutraukia ryšį. Iš tiesų, būtent taip atsitinka, kai fizikai perduoda įsipainiojusius fotonus tiesiai per atmosferą arba per optines skaidulas. Fotonai sąveikauja su kitais atmosferos ar stiklo atomais, o susipynimas sunaikinamas. Pasirodo, maksimalus atstumas, per kurį tokiu būdu galima dalytis įsipainiojimu, yra vos keli šimtai kilometrų.

Kaip tada sukurti kvantinį internetą, kuris dalijasi įsipainiojęs visame pasaulyje? Viena iš galimybių yra naudoti kvantinius kartotuvus – įrenginius, kurie matuoja kvantines fotonų savybes, kai jie atvyksta, ir perduoda šias savybes naujiems fotonams, kurie siunčiami pakeliui. Taip išsaugomas įsipainiojimas, leidžiantis peršokti nuo vieno kartotuvo prie kito. Tačiau ši technologija yra labai eksperimentinė ir kelerius metus nuo komercinio naudojimo.

Taigi kita galimybė yra sukurti susipynusias fotonų poras erdvėje ir transliuoti jas į dvi skirtingas bazines stotis ant žemės. Tada šios bazinės stotys susipainioja, todėl jos gali visiškai slaptai keistis žinutėmis.

2017 metais Kinijos palydovas Micius pirmą kartą parodė, kad tokiu būdu iš tiesų galima dalytis susipainiojimu. Pasirodo, pagal šį scenarijų fotonai gali nukeliauti daug toliau, nes tik paskutiniai 20 kilometrų kelionės vyksta per atmosferą, jei palydovas yra aukštai danguje ir nėra per arti horizonto.

Khatri ir kiti teigia, kad panašių palydovų žvaigždynas yra daug geresnis būdas sukurti pasaulinį kvantinį internetą. Svarbiausia yra tai, kad norint saugiai susisiekti, dvi antžeminės stotys turi matyti tą patį palydovą tuo pačiu metu, kad abi galėtų priimti iš jo įsipainiojusius fotonus.

Kokiame aukštyje turėtų skristi palydovai, kad būtų kuo platesnė aprėptis? O kiek jų prireiks? Kadangi palydovai šiuo metu yra brangus išteklius, norėtume, kad tinkle būtų kuo mažiau palydovų, kartu išlaikant visišką ir nuolatinę aprėptį, sako Khatri ir kt.

Norėdami tai išsiaiškinti, komanda sumodeliavo tokį žvaigždyną. Pasirodo, reikia atsižvelgti į keletą svarbių kompromisų. Pavyzdžiui, mažiau palydovų gali užtikrinti pasaulinę aprėptį, kai jie skrieja dideliame aukštyje. Tačiau didesni aukščiai lemia didesnius fotonų nuostolius.

Be to, mažesniame aukštyje esantys palydovai gali įveikti tik trumpesnius atstumus tarp bazinių stočių, nes abu turi matyti tą patį palydovą tuo pačiu metu.

Atsižvelgdami į šiuos apribojimus, Khatri ir kiti teigia, kad geriausias kompromisas yra mažiausiai 400 palydovų, skraidančių maždaug 3000 kilometrų aukštyje, žvaigždynas. Priešingai, GPS veikia su 24 palydovais.

Net ir tada didžiausias atstumas tarp bazinių stočių bus ribojamas iki maždaug 7500 kilometrų. Tai reiškia, kad tokia sistema galėtų palaikyti saugų susirašinėjimą tarp Londono ir Mumbajaus, kurie yra 7200 km atstumu vienas nuo kito, bet ne tarp Londono ir Hiustono, kurių atstumas yra 7800 km, arba tarp bet kurių miestų, kurie yra toliau vienas nuo kito. Tai reikšmingas trūkumas.

Nepaisant to, erdvėje esantis kvantinis internetas gerokai lenkia antžemines kvantinių kartotuvų sistemas, sako Khatri ir kt. Kartotuvai turėtų būti išdėstyti mažesniais nei 200 kilometrų intervalais, todėl norint įveikti didelius atstumus, jų reikėtų daug. Tai nustato savo kvantinio interneto apribojimus. Taigi pastebime, kad palydovai suteikia didelį pranašumą, palyginti su antžeminiu įsipainiojimo pasiskirstymu, sako Khatri ir kt.

Žinoma, tokia sistema pareikalautų didelių investicijų. Kinija turi akivaizdų pranašumą, jau išbandžiusi orbitoje skriejantį palydovą su tokia technologija. Ir ji turi planų eiti toliau.

Atrodo, kad Europa ir JAV šiuo atžvilgiu turi mažiau ambicijų. Tai gali greitai pasikeisti, jei ši technologija gali įrodyti savo vertę. jei taip, kvantinės erdvės lenktynės gali tik įkais.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1912.06678 : baisus veiksmas pasauliniu atstumu – Kvantinio interneto erdvėje pagrįsto įsipainiojimo ir paskirstymo tinklo išteklių spartos analizė

paslėpti