Перевод статьи «Почему квантовый интернет должен быть построен в космосе»

Привет, Хабр! Представляю вашему вниманию перевод статьи "Why the quantum internet should be built in space" из MIT Technology Review.


image


Физики считают, что лучший способ распространения квантовой сети по всему земному шару — огромное созвездие орбитальных спутников.




За авторством Emerging Technology from the arXiv


Квантовый интернет — это мечта многих инженеров, о которой говорят последние несколько лет. Идея в том, чтобы использовать необычные свойства фотонов и электронов для отправки невероятно защищенных сообщений.


Такая технология имеет очевидное применение для правительства и армии, но в ней
также заинтересованы банки и другие сферы финансов, которым нужно защищать всё — от договоров до денежных переводов. Что более важно, такой тип защиты все более
необходим из-за квантовых компьютеров, которые могут взломать коды, используемые
для защиты большинства сообщений.


Так мы поднимаем интересный вопрос: «Каким образом ученые и инженеры должны решать задачу построения квантового интернета, который охватит весь земной шар?»


Сегодня благодаря Самит Хатри (Sumeet Khatri) и его коллегам из государственного университета Луизианы у нас есть ответ. Его команда изучила различные способы создания квантового интернета и доказала, что самым экономически эффективным решением будет построение созвездия квантовых спутников, способных непрерывно отправлять “запутанные" фотоны на Землю. Другими словами квантовый интернет должен быть космическим.


Для начала немного истории. Ключевым в любой квантовой сети является странное свойство запутанности. Феномен, при котором две квантовые частицы находятся в одном и том же состоянии, даже если они разделены огромным расстоянием. Это гарантирует, что измерение состояния одной частицы немедленно влияет на другую, эффект, который Эйнштейн назвал “жутким дальнодействием.”


Физики обычно распространяют запутанность, используя пару фотонов созданных в одной точке и в одно то же время. Когда фотоны отправляются в разные направления, запутанность, связывающая их, может быть использована для отправления защищенных сообщений.


Проблема в том, что запутанность хрупка и ее тяжело сохранить. Любое небольшое взаимодействие между одним из фотонов и окружающим пространством разрушает связь. Конечно, именно это и происходит, когда физики отправляют фотоны через атмосферу или оптоволокно. Фотоны взаимодействуют с другими атомами в атмосфере или стекле, связь разрушается. Поэтому максимальное расстояние, на котором можно сохранить запутанность, это всего лишь несколько сотен километров.


Как тогда построить квантовую сеть, которая охватит всю планету? Один из вариантов — использование “квантовых повторителей”, устройств, измеряющих квантовые свойства фотонов при получении и передающих эти свойства новым фотонам, которые отправляются дальше. Это сохраняет запутанность, позволяя донести ее от одного повторителя до другого. Тем не менее, эта технология является экспериментальной, и ей нужно еще несколько лет до коммерческого использования.


Другой способ — это создание запутанной пары фотонов в космосе и отправление их на две разные станции на земле. Эти две станции становятся связанными, позволяя обмениваться между ними сообщениями с полной секретностью.


В 2017 году Китайский спутник “Мо-цзы” впервые показал, что запутанность может передаваться именно этим способом. Оказалось, что фотоны при таком сценарии могут путешествовать сильно дальше, потому что только последние 20 километров пути проходят через атмосферу при условии, что спутник находится высоко в небе и не слишком близко к горизонту.


Хатри и ко. утверждают, что созвездие подобных спутников сильно лучший способ создания глобального квантового интернета. Суть в том, что для защищенной коммуникации две наземные станции должны иметь связь с одним и тем же спутником одновременно, чтобы они могли получать запутанные фотоны от него.


image


На какой высоте должны летать спутники, чтобы иметь максимально возможных охват? И как много их понадобится?


На данный момент спутники — это дорогостоящий ресурс, поэтому хотелось бы использовать их как можно меньше, при этом сохраняя полный и непрерывный охват. Самит Хатри и ко.

Чтобы дать ответ команда создала модель такого созвездия. Оказалось, что нужно учитывать несколько важных компромиссов, на которые придется пойти. Например, меньшее количество спутников могут обеспечить полное покрытие, когда они находятся высоко на орбите. Но чем выше спутники тем больше потеря фотонов.


Кроме того спутники на низкой орбите могут охватывать только меньшие расстояния между станциями, потому что обе должны видеть один и тот же спутник одновременно.


Принимая эти ограничения, Хатри и его команда предложили лучшее соотношение: созвездие состоящее из как минимум 400 спутников летящих на высоте около 3000 километров над уровнем моря. Для сравнения, GPS обходится 24 спутниками.


Даже тогда максимальное расстояние между земными станциями будет ограничено 7500 километрами. Это означает, что такая система может обеспечить защищенную передачу данных между Лондоном и Мумбаи, между которыми 7200 километров, но не между Лондоном и Хьюстоном (7800 километров друг от друга) или любыми другими городами находящимися еще дальше. Это значительный недостаток.


Несмотря на это космический квантовый интернет значительно превосходит систему наземных квантовых повторителей, — утверждает Хатри и ко. — Повторители должны быть расположены на отрезке длиной менее 200 километров, поэтому покрытие больших расстояний потребует большое количество этих устройств. Это накладывает свой собственный набор ограничений для квантового интернета.


Мы считаем, что спутники имеют значительное преимущество перед наземным способом распространения запутанности. Самит Хатри и ко.

Конечно, такая система потребует значительных инвестиций. Китай имеет очевидное преимущество, уже испытав спутник с такой технологией. И они не собираются останавливаться.


В то же время в Европе и США проявляется меньше амбиций в этом отношении. Положение дел может быстро измениться если эта технология докажет свою ценность. Тогда квантовая космическая гонка может вот-вот разгореться.

Комментарии 2

    0
    Возникшие вопросы:
    Проблема в том, что запутанность хрупка и ее тяжело сохранить. Любое небольшое взаимодействие между одним из фотонов и окружающим пространством разрушает связь.

    1. Я думал эта запутанность навсегда. Потом фотон становится запутанным с каким-то другим фотоном? Или ни с каким?
    2. Как же тогда на фотон воздействуют, чтобы он передал свое состояние? Он ограниченное число раз может таким образом взаимодейтсвовать?

    Один из вариантов — использование “квантовых повторителей”, устройств, измеряющих квантовые свойства фотонов при получении и передающих эти свойства новым фотонам, которые отправляются дальше.

    Недавно на хабре была статься, где говориться, что невозможно измерить все свойства/запутанности.

    А фотоны могут храниться в состоянии покоя? Я думал, они всегда в движении.
      0
      Выгоды квантовой криптографии малоочевидны, так что бума в мире не наблюдается. Особенно, бума коммерческих применений. Хотя соответствующие системы начали продаваться коммерчески больше 10 лет назад. А спроса нет. У криптографов есть свои способы решения проблем безопасности, которые они считают достаточными. Реальная потребность может появиться с созданием полноценных квантовых компьютеров, которые будут способны реализовывать код Шора в тех масштабах и с той точностью, которые востребованы практикой, но до этого пока очень далеко (если вообще когда-либо суждено таким планам сбыться).

      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

      Самое читаемое