Hallo habr Ich präsentiere Ihnen die Übersetzung des Artikels "Warum das Quanten-Internet im Weltraum gebaut werden sollte" von MIT Technology Review.
Die Physiker glauben, dass der beste Weg, um ein Quantennetzwerk auf der ganzen Welt zu verbreiten, eine riesige Konstellation umkreisender Satelliten ist.
Erstellt von Emerging Technology aus dem arXiv
Quantum Internet ist der Traum vieler Ingenieure , über den in den letzten Jahren gesprochen wurde. Die Idee ist, die ungewöhnlichen Eigenschaften von Photonen und Elektronen zu nutzen, um unglaublich sichere Nachrichten zu senden.
Diese Technologie hat offensichtliche Anwendung für die Regierung und die Armee, aber darin
Interessiert sind auch Banken und andere Finanzbereiche, die von Verträgen bis hin zu Überweisungen alles schützen müssen. Noch wichtiger ist, dass diese Art des Schutzes zunehmend ist
benötigt aufgrund von Quantencomputern, die die verwendeten Codes knacken können
um die meisten Nachrichten zu schützen.
Wir werfen also eine interessante Frage auf: „Wie sollten Wissenschaftler und Ingenieure das Problem des Aufbaus eines Quanten-Internets lösen, das den gesamten Globus abdeckt?“
Dank Sumeet Khatri und seinen Kollegen an der Louisiana State University haben wir heute die Antwort. Sein Team untersuchte verschiedene Wege, um das Quanten-Internet zu erschaffen, und bewies, dass die kostengünstigste Lösung darin bestehen würde, eine Konstellation von Quantensatelliten aufzubauen, die in der Lage ist, ständig „verschränkte“ Photonen zur Erde zu senden.
Zunächst ein wenig Geschichte. Der Schlüssel zu jedem Quantennetzwerk ist die seltsame Eigenschaft der Verschränkung. Ein Phänomen, bei dem sich zwei Quantenteilchen im selben Zustand befinden, auch wenn sie über einen großen Abstand voneinander entfernt sind. Dies stellt sicher, dass die Messung des Zustands eines Partikels sofort einen anderen beeinflusst. Diesen Effekt nannte Einstein „unheimliche Fernwirkung“.
Physiker propagieren die Verschränkung normalerweise mit einem Photonenpaar, das an einem Punkt und zur gleichen Zeit erzeugt wird. Wenn Photonen in verschiedene Richtungen gesendet werden, können die sie verbindenden Feinheiten verwendet werden, um sichere Nachrichten zu senden.
Das Problem ist, dass die Verstrickung zerbrechlich und schwer aufrechtzuerhalten ist. Jede kleine Wechselwirkung zwischen einem der Photonen und dem umgebenden Raum zerstört die Verbindung. Das ist natürlich genau das, was passiert, wenn Physiker Photonen durch die Atmosphäre oder die Faser schicken. Photonen interagieren mit anderen Atomen in der Atmosphäre oder im Glas, die Bindung wird zerstört. Daher beträgt die maximale Entfernung, bei der Verwirrung aufrechterhalten werden kann, nur einige hundert Kilometer.
Wie kann man dann ein Quantennetzwerk aufbauen, das den gesamten Planeten abdeckt? Eine Option ist die Verwendung von "Quanten-Repeatern", die die Quanteneigenschaften von Photonen beim Empfang messen und diese Eigenschaften an neue Photonen übertragen, die weitergeleitet werden. Dies hält Verwirrung und ermöglicht es Ihnen, es von einem Repeater zu einem anderen zu übertragen. Diese Technologie ist jedoch experimentell und benötigt vor dem kommerziellen Einsatz noch einige Jahre.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein kompliziertes Photonenpaar im Weltraum zu erzeugen und an zwei verschiedene Stationen auf der Erde zu senden. Diese beiden Stationen werden miteinander verbunden und ermöglichen den geheimen Austausch von Nachrichten zwischen ihnen.
Der chinesische Satellit Mo-tzu hat 2017 erstmals gezeigt, dass auf diese Weise Verschränkungen übertragen werden können. Es stellte sich heraus, dass sich Photonen in diesem Szenario viel weiter fortbewegen können, da nur die letzten 20 Kilometer des Weges durch die Atmosphäre verlaufen, vorausgesetzt, der Satellit ist hoch am Himmel und nicht zu nah am Horizont.
Khatri und Co. argumentieren, dass die Konstellation solcher Satelliten ein sehr guter Weg ist, um ein globales Quanten-Internet zu schaffen. Unter dem Strich müssen für eine sichere Kommunikation zwei Bodenstationen gleichzeitig mit demselben Satelliten verbunden sein, damit sie verschlungene Photonen von ihm empfangen können.
In welcher Höhe sollten Satelliten fliegen, um eine möglichst hohe Reichweite zu erzielen? Und wie viele werden benötigt?
Momentan sind Satelliten eine teure Ressource, daher möchte ich sie so wenig wie möglich nutzen und gleichzeitig eine vollständige und kontinuierliche Abdeckung gewährleisten. Samit Khatri & Co.
Um eine Antwort zu geben, erstellte das Team ein Modell einer solchen Konstellation. Es stellte sich heraus, dass Sie mehrere wichtige Kompromisse in Betracht ziehen müssen, die Sie eingehen müssen. Beispielsweise können weniger Satelliten eine vollständige Abdeckung bieten, wenn sie sich in einer hohen Umlaufbahn befinden. Aber je höher die Satelliten sind, desto größer ist der Verlust an Photonen.
Satelliten in niedriger Umlaufbahn können außerdem nur kürzere Entfernungen zwischen Stationen zurücklegen, da beide denselben Satelliten zur gleichen Zeit sehen müssen.
Khatri und sein Team akzeptierten diese Einschränkungen und schlugen ein besseres Gleichgewicht vor: eine Konstellation von mindestens 400 Satelliten, die in einer Höhe von etwa 3.000 Kilometern über dem Meeresspiegel fliegen. Zum Vergleich: GPS kostet 24 Satelliten.
Selbst dann wird die maximale Entfernung zwischen Bodenstationen auf 7.500 Kilometer begrenzt. Dies bedeutet, dass ein solches System eine sichere Datenübertragung zwischen London und Mumbai, zwischen denen 7200 Kilometer liegen, aber nicht zwischen London und Houston (7800 Kilometer voneinander entfernt) oder anderen Städten, die noch weiter entfernt liegen, gewährleisten kann. Dies ist ein erheblicher Nachteil.
Trotzdem ist das Weltraum-Quanten-Internet dem terrestrischen Quanten-Repeater-System weit überlegen, sagen Khatri und Co. - Repeater müssen sich auf einer Strecke von weniger als 200 Kilometern befinden, sodass für große Entfernungen eine große Anzahl dieser Geräte erforderlich ist. Dies setzt dem Quanteninternet seine eigenen Beschränkungen auf.
Wir glauben, dass Satelliten einen signifikanten Vorteil gegenüber der bodengestützten Ausbreitungsmethode von Verschränkungen haben. Samit Khatri & Co.
Natürlich erfordert ein solches System erhebliche Investitionen. China hat den offensichtlichen Vorteil, bereits einen Satelliten mit einer solchen Technologie erlebt zu haben. Und sie werden nicht aufhören.
Gleichzeitig wird in Europa und den USA diesbezüglich weniger Ehrgeiz gezeigt. Dinge können sich schnell ändern, wenn diese Technologie ihren Wert unter Beweis stellt. Dann könnte ein Quantenraumrennen aufflammen.