211service.com
Varför kvantinternet ska byggas i rymden
Kvantsatelliter MS Tech / Källa: NASA
Kvantinternet är en dröm som många teknologer har förklarat under de senaste åren. Tanken är att utnyttja de märkliga kvantegenskaperna hos fotoner och elektroner för att skicka meddelanden med perfekt hemlighet.
Det har uppenbar tillämpning för regeringar och militärer, men det är alltmer av intresse för banker och andra kommersiella verksamheter som behöver säkra allt från kontrakt till finansiella transaktioner. Dessutom behövs den här typen av säkerhet alltmer eftersom kvantdatorer kommer att kunna bryta de koder som för närvarande används för att hålla många meddelanden privata.
Och det väcker en intressant fråga: Hur ska forskare och ingenjörer gå tillväga för uppgiften att bygga ett kvantinternet som spänner över hela världen?
Idag får vi svar tack vare Sumeet Khatris och kollegors arbete vid Louisiana State University i Baton Rouge. Detta team har studerat de olika sätten som ett kvantinternet kan byggas på och säger att det mest kostnadseffektiva tillvägagångssättet är att skapa en konstellation av kvantaktiverade satelliter som kontinuerligt kan sända intrasslade fotoner till marken. Kvantinternet bör med andra ord vara rymdbaserat.
Först lite bakgrund. I hjärtat av varje kvantnätverk är den märkliga egenskapen för intrassling. Detta är fenomenet där två kvantpartiklar delar samma existens, även om de är åtskilda av stora avstånd. Det säkerställer att en mätning på en av dessa partiklar omedelbart påverkar den andra, ett underverk som Einstein kallade spöklik action på avstånd.
Fysiker distribuerar vanligtvis intrassling med hjälp av par av fotoner skapade vid samma tidpunkt och ögonblick. När fotonerna skickas till olika platser, kan förvecklingen som länkar dem utnyttjas för att skicka säkra meddelanden.
Problemet är att intrassling är ömtålig och svår att bevara. Varje liten interaktion mellan en av fotonerna och dess omgivning bryter länken. Det är faktiskt precis vad som händer när fysiker sänder intrasslade fotoner direkt genom atmosfären eller genom optiska fibrer. Fotonerna interagerar med andra atomer i atmosfären eller glaset, och intrasslingen förstörs. Det visar sig att det maximala avståndet över vilket intrassling kan delas på detta sätt bara är några hundra kilometer.
Hur bygger man då ett kvantinternet som delar förveckling över hela världen? Ett alternativ är att använda kvantrepeterare – enheter som mäter fotoners kvantegenskaper när de anländer och sedan överför dessa egenskaper till nya fotoner som skickas på väg. Detta bevarar intrassling, vilket gör att den kan hoppa från en repeater till nästa. Denna teknik är dock mycket experimentell och flera år från kommersiell exploatering.
Så ett annat alternativ är att skapa de intrasslade paren av fotoner i rymden och sända dem till två olika basstationer på marken. Dessa basstationer blir sedan intrasslade, vilket gör att de kan byta meddelanden med perfekt sekretess.
2017 visade en kinesisk satellit vid namn Micius för första gången att intrassling verkligen kan delas på detta sätt. Det visar sig att fotoner kan färdas mycket längre i det här scenariot eftersom endast de sista 20 kilometerna eller så av resan går genom atmosfären, förutsatt att satelliten står högt på himlen och inte för nära horisonten.
Khatri och co säger att en konstellation av liknande satelliter är ett mycket bättre sätt att skapa ett globalt kvantinternet. Nyckeln är att för att kommunicera säkert måste två markstationer kunna se samma satellit samtidigt så att båda kan ta emot intrasslade fotoner från den.
På vilken höjd ska satelliterna flyga för att ge så bred täckning som möjligt? Och hur många kommer att behövas? Eftersom satelliter för närvarande är en dyr resurs skulle vi vilja ha så få satelliter som möjligt i nätverket samtidigt som vi bibehåller fullständig och kontinuerlig täckning, säger Khatri och co.
För att ta reda på det, modellerade teamet en sådan konstellation. Det visar sig att det finns ett antal viktiga avvägningar att ta hänsyn till. Till exempel kan färre satelliter ge global täckning när de kretsar på hög höjd. Men högre höjder leder till större fotonförluster.
Satelliter på lägre höjder kan också spänna över kortare avstånd mellan basstationer, eftersom båda måste kunna se samma satellit samtidigt.
Med tanke på dessa begränsningar föreslår Khatri och co att den bästa kompromissen är en konstellation av minst 400 satelliter som flyger på en höjd av cirka 3 000 kilometer. Däremot fungerar GPS med 24 satelliter.
Även då kommer det maximala avståndet mellan basstationer att begränsas till cirka 7 500 kilometer. Det betyder att ett sådant system skulle kunna stödja säker meddelandehantering mellan London och Mumbai, som ligger 7 200 km från varandra, men inte mellan London och Houston, 7 800 km från varandra – eller faktiskt mellan städer som ligger längre ifrån varandra. Det är en betydande nackdel.
Ändå överträffar ett rymdbaserat kvantinternet markant markbaserade system av kvantrepeaters, säger Khatri och co. Repeaters skulle behöva placeras med intervaller på mindre än 200 kilometer, så att täcka långa sträckor skulle kräva ett stort antal av dem. Detta introducerar sin egen uppsättning begränsningar för ett kvantinternet. Vi finner alltså att satelliter erbjuder en betydande fördel jämfört med markbaserad intrasslingsdistribution, säger Khatri och co.
Naturligtvis skulle ett sådant system kräva betydande investeringar. Kina har en uppenbar fördel genom att redan ha testat en satellit i kretslopp med denna typ av teknik. Och den har planer på att gå längre.
Däremot verkar Europa och USA ha mindre ambitioner i detta avseende. Det kan ändras snabbt om denna teknik kan bevisa sitt värde. i så fall kan kvantrymdkapplöpningen precis vara på väg att värmas upp.
Ref: arxiv.org/abs/1912.06678 : Spooky Action at a Global Distance – Resurs-hastighetsanalys av ett rymdbaserat Entanglement-Distribution Network för Quantum Internet