Halo, Habr! Saya mempersembahkan kepada Anda terjemahan artikel "Mengapa internet kuantum harus dibangun di luar angkasa" dari MIT Technology Review.
Fisikawan percaya bahwa cara terbaik untuk menyebarkan jaringan kuantum di seluruh dunia adalah konstelasi besar satelit yang mengorbit.
Ditulis oleh Emerging Technology dari arXiv
Quantum Internet adalah impian banyak insinyur yang telah dibicarakan selama beberapa tahun terakhir. Idenya adalah untuk menggunakan properti yang tidak biasa dari foton dan elektron untuk mengirim pesan yang sangat aman.
Teknologi ini jelas memiliki aplikasi untuk pemerintah dan tentara, tetapi di dalamnya
bank dan bidang keuangan lainnya juga tertarik, yang perlu melindungi semuanya dari kontrak hingga transfer uang. Lebih penting lagi, jenis perlindungan ini semakin meningkat
dibutuhkan karena komputer kuantum yang dapat memecahkan kode yang digunakan
untuk melindungi sebagian besar pesan.
Jadi kami mengajukan pertanyaan menarik: "Bagaimana seharusnya para ilmuwan dan insinyur memecahkan masalah membangun Internet kuantum yang akan mencakup seluruh dunia?"
Hari ini, terima kasih kepada Sumeet Khatri dan rekan-rekannya di Louisiana State University, kami memiliki jawabannya. Timnya mempelajari berbagai cara untuk menciptakan Internet kuantum dan membuktikan bahwa solusi yang paling hemat biaya adalah membangun konstelasi satelit kuantum yang mampu terus-menerus mengirimkan foton "terjerat" ke Bumi. Dengan kata lain, internet kuantum harus berupa ruang.
Pertama, sedikit sejarah. Kunci dari jaringan kuantum adalah properti keterjeratan yang aneh. Sebuah fenomena di mana dua partikel kuantum berada dalam keadaan yang sama, bahkan jika mereka dipisahkan oleh jarak yang sangat jauh. Ini memastikan bahwa mengukur keadaan satu partikel segera mempengaruhi yang lain, efek yang disebut Einstein "aksi jangka panjang yang menakutkan."
Fisikawan biasanya menyebarkan keterjeratan menggunakan sepasang foton yang dibuat pada satu titik dan pada saat yang sama. Ketika foton dikirim dalam arah yang berbeda, seluk-beluk yang menghubungkannya dapat digunakan untuk mengirim pesan aman.
Masalahnya adalah keterikatan rapuh dan sulit dipertahankan. Setiap interaksi kecil antara salah satu foton dan ruang di sekitarnya menghancurkan koneksi. Tentu saja, inilah yang terjadi ketika fisikawan mengirim foton melalui atmosfer atau serat. Foton berinteraksi dengan atom-atom lain di atmosfer atau kaca, ikatannya hancur. Oleh karena itu, jarak maksimum di mana kebingungan dapat dipertahankan hanya beberapa ratus kilometer.
Lalu bagaimana membangun jaringan kuantum yang akan mencakup seluruh planet? Salah satu pilihan adalah penggunaan "repeater kuantum," perangkat yang mengukur sifat kuantum foton setelah diterima dan mengirimkan properti ini ke foton baru yang dikirim. Ini membuat kebingungan, memungkinkan Anda untuk menyampaikannya dari satu pengulang ke yang lain. Namun, teknologi ini bersifat eksperimental, dan perlu beberapa tahun lagi sebelum digunakan secara komersial.
Cara lain adalah dengan membuat pasangan foton yang rumit di ruang angkasa dan mengirimkannya ke dua stasiun berbeda di bumi. Kedua stasiun ini terhubung, memungkinkan pertukaran pesan di antara mereka dengan kerahasiaan lengkap.
Pada tahun 2017, satelit Tiongkok, Mo-tzu pertama kali menunjukkan bahwa keterikatan dapat ditularkan dengan cara ini. Ternyata foton dalam skenario ini dapat melakukan perjalanan lebih jauh, karena hanya 20 kilometer terakhir dari jalur yang melewati atmosfer, asalkan satelitnya tinggi di langit dan tidak terlalu dekat dengan cakrawala.
Khatri and Co. berpendapat bahwa konstelasi satelit tersebut adalah cara yang sangat baik untuk membuat Internet kuantum global. Intinya adalah bahwa untuk komunikasi yang aman, dua stasiun bumi harus terhubung ke satelit yang sama pada saat yang sama sehingga mereka dapat menerima foton terjerat dari itu.
Pada ketinggian berapa satelit harus terbang agar memiliki jangkauan setinggi mungkin? Dan berapa banyak yang akan dibutuhkan?
Saat ini, satelit adalah sumber daya yang mahal, jadi saya ingin menggunakannya sesedikit mungkin, dengan tetap mempertahankan cakupan penuh dan berkelanjutan. Samit Khatri & Co.
Untuk memberikan jawaban, tim menciptakan model rasi bintang seperti itu. Ternyata Anda perlu mempertimbangkan beberapa trade-off penting yang harus Anda buat. Misalnya, lebih sedikit satelit yang dapat memberikan cakupan penuh ketika mereka berada di orbit tinggi. Tetapi semakin tinggi satelit, semakin besar pula hilangnya foton.
Selain itu, satelit di orbit rendah hanya dapat mencakup jarak yang lebih pendek antara stasiun, karena keduanya harus melihat satelit yang sama pada saat yang sama.
Menerima batasan-batasan ini, Khatri dan timnya mengusulkan keseimbangan yang lebih baik: sebuah rasi bintang paling tidak 400 satelit yang terbang pada ketinggian sekitar 3.000 kilometer di atas permukaan laut. Sebagai perbandingan, biaya GPS 24 satelit.
Meski begitu, jarak maksimum antara stasiun bumi akan dibatasi hingga 7.500 kilometer. Ini berarti bahwa sistem seperti itu dapat memberikan transmisi data yang aman antara London dan Mumbai, di antaranya 7200 kilometer, tetapi tidak antara London dan Houston (7800 kilometer dari satu sama lain) atau kota lain yang letaknya lebih jauh. Ini adalah kelemahan yang signifikan.
Meskipun demikian, ruang kuantum Internet jauh lebih unggul daripada sistem repeater kuantum terestrial, kata Khatri and Co. - Repeater harus ditempatkan pada segmen kurang dari 200 kilometer, sehingga untuk menempuh jarak yang jauh akan membutuhkan sejumlah besar perangkat ini. Ini memberlakukan batasannya sendiri pada Internet kuantum.
Kami percaya bahwa satelit memiliki keunggulan signifikan dibandingkan mode propagasi belitan berbasis darat. Samit Khatri & Co.
Tentu saja, sistem seperti itu akan membutuhkan investasi yang signifikan. Cina jelas memiliki keuntungan karena telah mengalami satelit dengan teknologi seperti itu. Dan mereka tidak akan berhenti.
Pada saat yang sama, ambisi yang kurang ditunjukkan di Eropa dan Amerika Serikat dalam hal ini. Segala sesuatu dapat berubah dengan cepat jika teknologi ini membuktikan nilainya. Kemudian perlombaan ruang kuantum akan menyala.