Hola Habr! Le presento la traducción del artículo "Por qué la Internet cuántica debería construirse en el espacio" de MIT Technology Review.
Los físicos creen que la mejor manera de difundir una red cuántica en todo el mundo es una gran constelación de satélites en órbita.
Creado por Tecnología emergente de arXiv
Internet cuántica es el sueño de muchos ingenieros del que se ha hablado durante los últimos años. La idea es utilizar las propiedades inusuales de los fotones y electrones para enviar mensajes increíblemente seguros.
Esta tecnología tiene una aplicación obvia para el gobierno y el ejército, pero en ella
Los bancos y otras áreas de finanzas también están interesados, que necesitan proteger todo, desde contratos hasta transferencias de dinero. Más importante aún, este tipo de protección es cada vez más
necesario debido a las computadoras cuánticas que pueden descifrar los códigos utilizados
para proteger la mayoría de los mensajes.
Entonces, planteamos una pregunta interesante: "¿Cómo deberían los científicos e ingenieros resolver el problema de construir una Internet cuántica que cubra todo el mundo?"
Hoy, gracias a Sumeet Khatri y sus colegas de la Louisiana State University, tenemos la respuesta. Su equipo estudió varias formas de crear Internet cuántica y demostró que la solución más rentable sería construir una constelación de satélites cuánticos capaces de enviar continuamente fotones "enredados" a la Tierra. En otras palabras, la Internet cuántica debería ser el espacio.
Primero, un poco de historia. La clave de cualquier red cuántica es la extraña propiedad del enredo. Un fenómeno en el que dos partículas cuánticas están en el mismo estado, incluso si están separadas por una gran distancia. Esto asegura que la medición del estado de una partícula afecta inmediatamente a otra, un efecto que Einstein llamó "espeluznante acción de largo alcance".
Los físicos generalmente propagan enredos utilizando un par de fotones creados en un punto y al mismo tiempo. Cuando los fotones se envían en diferentes direcciones, las complejidades que los conectan se pueden usar para enviar mensajes seguros.
El problema es que el enredo es frágil y difícil de mantener. Cualquier pequeña interacción entre uno de los fotones y el espacio circundante destruye la conexión. Por supuesto, esto es exactamente lo que sucede cuando los físicos envían fotones a través de la atmósfera o la fibra. Los fotones interactúan con otros átomos en la atmósfera o el vidrio, el enlace se destruye. Por lo tanto, la distancia máxima a la que se puede mantener la confusión es de unos pocos cientos de kilómetros.
¿Cómo, entonces, construir una red cuántica que cubra todo el planeta? Una opción es el uso de "repetidores cuánticos", dispositivos que miden las propiedades cuánticas de los fotones al recibirlos y transmiten estas propiedades a los nuevos fotones que se envían. Esto mantiene la confusión, permitiéndole transmitirlo de un repetidor a otro. Sin embargo, esta tecnología es experimental y necesita unos años más antes de su uso comercial.
Otra forma es crear un intrincado par de fotones en el espacio y enviarlos a dos estaciones diferentes en la tierra. Estas dos estaciones se conectan, lo que permite el intercambio de mensajes entre ellas con total secreto.
En 2017, el satélite chino Mo-tzu mostró por primera vez que el enredo puede transmitirse de esta manera. Resultó que los fotones en este escenario pueden viajar mucho más lejos, porque solo los últimos 20 kilómetros del camino pasan a través de la atmósfera, siempre que el satélite esté alto en el cielo y no demasiado cerca del horizonte.
Khatri and Co. Argumentan que la constelación de tales satélites es una muy buena manera de crear una Internet cuántica global. La conclusión es que para una comunicación segura, dos estaciones terrestres deben estar conectadas al mismo satélite al mismo tiempo para que puedan recibir fotones enredados de él.
¿A qué altitud deben volar los satélites para tener la mayor cobertura posible? ¿Y cuántos serán necesarios?
Por el momento, los satélites son un recurso costoso, por lo que me gustaría utilizarlos lo menos posible, manteniendo una cobertura completa y continua. Samit Khatri & Co.
Para dar una respuesta, el equipo creó un modelo de tal constelación. Resultó que necesita considerar varias compensaciones importantes que tiene que hacer. Por ejemplo, menos satélites pueden proporcionar cobertura completa cuando están en órbita alta. Pero cuanto más altos son los satélites, mayor es la pérdida de fotones.
Además, los satélites en órbita baja solo pueden cubrir distancias más cortas entre estaciones, porque ambos deben ver el mismo satélite al mismo tiempo.
Al aceptar estas limitaciones, Khatri y su equipo propusieron un mejor equilibrio: una constelación de al menos 400 satélites que vuelan a una altitud de unos 3.000 kilómetros sobre el nivel del mar. A modo de comparación, el GPS cuesta 24 satélites.
Incluso entonces, la distancia máxima entre estaciones terrenas se limitará a 7.500 kilómetros. Esto significa que dicho sistema puede proporcionar una transmisión segura de datos entre Londres y Mumbai, entre los cuales 7200 kilómetros, pero no entre Londres y Houston (7800 kilómetros entre sí) o cualquier otra ciudad ubicada aún más. Este es un inconveniente significativo.
A pesar de esto, la Internet cuántica espacial es muy superior al sistema repetidor cuántico terrestre, dice Khatri and Co. - Los repetidores deben ubicarse en un segmento de menos de 200 kilómetros, por lo que cubrir grandes distancias requerirá una gran cantidad de estos dispositivos. Esto impone su propio conjunto de restricciones en Internet cuántica.
Creemos que los satélites tienen una ventaja significativa sobre el modo terrestre de propagación de enredos. Samit Khatri & Co.
Por supuesto, dicho sistema requerirá una inversión significativa. China tiene la ventaja obvia de haber experimentado un satélite con tal tecnología. Y no van a parar.
Al mismo tiempo, se muestra menos ambición en Europa y los Estados Unidos a este respecto. Las cosas pueden cambiar rápidamente si esta tecnología demuestra su valor. Entonces una carrera espacial cuántica podría estar a punto de estallar.