Интернет, построенный на принципах квантовой механики и размещенный в космосе, превзойдет по возможностям земные сети квантовых ретрансляторов.
Создание глобального квантового интернета потребует размещения более 400 спутников на орбите высотой 3000 километров.
Квантовая механика позволяет осуществлять безопасную связь посредством распределения квантовых ключей. Квантовый Интернет, мечта многих технологов, даст возможность выполнять другие задачи по обработке квантовой информации: синхронизацию квантовых часов, квантовую телепортацию и распределенную квантовую метрологию и зондирование.
Квантовый интернет обеспечит защиту всем аспектам жизни: от частных переписок и договоров до финансовых операций. С развитием квантовых компьютеров, способных нарушить традиционные криптографические методы, такая защита станет неотъемлемой.
Создание квантового интернета глобального масштаба – сложный эксперимент. Недавно ученые из Университета штата Луизиана предложили наиболее выгодный способ его реализации.
Этот подход предполагает создание системы квантовых спутников, способных постоянно посылать запутавшиеся фотоны на Землю. Такой метод ставит перед нами два главных вопроса.
1)Сколько нужно спутников, чтобы обеспечить покрытие всей планеты, которое будет лучше наземных систем передачи информации по квантовой связи?
2)На какой высоте следует установить эти спутники?
Сначала немного предыстории
Главное отличие такой сети – квантовая запутанность: два кванта связаны так, что их состояние одинаково, независимо от расстояния между ними. Изменения, происходящие с одним квантом, сразу же отражаются на другом.
В научных исследованиях чаще всего применяют пары фотонов, появившихся одновременно, для формирования запутывания. Отправляя эти фотоны в различные точки, можно воспользоваться их связью для передачи зашифрованных посланий.
Запутанность, объединяющая фотоны, крайне хрупкое явление, сложно удерживаемое. Множество взаимодействий между фотоном и окружением способно разрушить связь.
Такое обычно случается при передаче запутанных фотонов по оптическим волокнам или через атмосферу. Фотоны взаимодействуют с атомами стекла или воздуха. При нынешнем уровне технологий разделение запутанности возможно лишь на расстояние в несколько сотен километров.
Так как же построить квантовый интернет?
Возможны два подхода: первый использует устройства – квантовые повторители – которые измеряют квантовые характеристики сразу же после их появления и передают их новым фотонам, отправляющимся по пути. В таком случае сохраняется запутанность, но методика несовершенна и может занять несколько лет.
Второй вариант подразумевает создание в космосе связанных пар фотонов и доставку их на две наземные станции, расположенные в разных точках. Станции смогут обмениваться информацией с абсолютной конфиденциальностью.
Китай уже провел квантовые экспериментыВ космическом масштабе, в 2016 году запустили спутник Micius для проведения экспериментов по квантовой оптике на больших расстояниях.
В подобных спутниковых схемах фотоны преодолевают последние двадцать километров в атмосфере. В связи с этим возможно перемещение на большее расстояние, если спутник не находится близко к горизонту.
Исследователи считают, что масштабная сеть спутников позволит создать более эффективный глобальный квантовый интернет. Для безопасной передачи информации две наземные станции должны одновременно соединяться с одним спутником, чтобы получать от него запутанные фотоны.
Минимизация ресурсов
Стоимость строительства и запуска спутников исчисляется миллионами долларов, поэтому необходимо поддерживать минимальное количество работающих спутников в сети, обеспечивая при этом надлежащее покрытие.
В ходе моделирования сети исследователи выявили важные компромиссы. Например, меньшее количество спутников на больших высотах может обеспечить глобальное покрытие, но это влечет за собой потери фотонов. Спутники на более низких орбитах охватывают лишь короткие расстояния между наземными станциями.
Исследователи считают, что оптимальным вариантом станет сеть из четырехсот спутников на орбите высотой три тысячи километров. Для сравнения, в системе GPS двадцать четыре спутника работают на высоте двадцати тысяч километров.
Максимальное расстояние между двумя наземными станциями остаётся ограниченным 7500 километрами. Такая сеть обеспечит безопасное соединение, например, Нью-Йорка и Лондона (расстояние 5500 километров), но не Хьюстона и Лондона (7700 километров).
При наличии этого недостатка космос-квантовый Интернет всё равно покажется более совершенным, чем наземные сети с квантовыми ретрансляторами.
Гибридные сети, работающие с космическими квантовыми коммуникационными платформами и наземными квантовыми ретрансляторами, могут сделать эту идею реальностью.