Olá Habr! Apresento a você a tradução do artigo "Por que a Internet quântica deve ser construída no espaço" da MIT Technology Review.
Os físicos acreditam que a melhor maneira de espalhar uma rede quântica em todo o mundo é uma enorme constelação de satélites em órbita.
De autoria de Emerging Technology do arXiv
A Internet quântica é o sonho de muitos engenheiros , comentado nos últimos anos. A idéia é usar as propriedades incomuns de fótons e elétrons para enviar mensagens incrivelmente seguras.
Essa tecnologia tem aplicação óbvia para o governo e o exército, mas nela
bancos e outras áreas de finanças também estão interessados, que precisam proteger tudo, desde contratos a transferências de dinheiro. Mais importante, esse tipo de proteção está cada vez mais
necessário devido a computadores quânticos que podem quebrar os códigos usados
para proteger a maioria das mensagens.
Então, levantamos uma questão interessante: "Como cientistas e engenheiros devem resolver o problema de construir uma Internet quântica que cubra o mundo inteiro?"
Hoje, graças a Sumeet Khatri e seus colegas da Universidade Estadual da Louisiana, temos a resposta. Sua equipe estudou várias maneiras de criar Internet quântica e provou que a solução mais econômica seria construir uma constelação de satélites quânticos capazes de enviar continuamente fótons "emaranhados" à Terra. Em outras palavras, a Internet quântica deveria ser espaço.
Primeiro, um pouco de história. A chave para qualquer rede quântica é a estranha propriedade do emaranhamento. Fenômeno no qual duas partículas quânticas estão no mesmo estado, mesmo que separadas por uma grande distância. Isso garante que a medição do estado de uma partícula afete imediatamente a outra, um efeito que Einstein chamou de "ação estranha de longo alcance".
Os físicos geralmente propagam o emaranhamento usando um par de fótons criados em um ponto e ao mesmo tempo. Quando os fótons são enviados em direções diferentes, os meandros que os conectam podem ser usados para enviar mensagens seguras.
O problema é que o emaranhamento é frágil e difícil de manter. Qualquer pequena interação entre um dos fótons e o espaço circundante destrói a conexão. Obviamente, é exatamente isso que acontece quando os físicos enviam fótons pela atmosfera ou fibra. Os fótons interagem com outros átomos na atmosfera ou no vidro, a ligação é destruída. Portanto, a distância máxima na qual a confusão pode ser mantida é de apenas algumas centenas de quilômetros.
Como então construir uma rede quântica que cubra todo o planeta? Uma opção é o uso de "repetidores quânticos", dispositivos que medem as propriedades quânticas dos fótons após o recebimento e transmitem essas propriedades para novos fótons enviados. Isso mantém a confusão, permitindo transmitir de um repetidor para outro. No entanto, essa tecnologia é experimental e precisa de mais alguns anos antes do uso comercial.
Outra maneira é criar um intrincado par de fótons no espaço e enviá-los para duas estações diferentes na Terra. Essas duas estações ficam conectadas, permitindo a troca de mensagens entre elas com total sigilo.
Em 2017, o satélite chinês Mo-tzu mostrou pela primeira vez que o emaranhado pode ser transmitido dessa maneira. Acontece que os fótons nesse cenário podem viajar muito mais longe, porque apenas os últimos 20 quilômetros do caminho passam pela atmosfera, desde que o satélite esteja alto no céu e não muito próximo do horizonte.
Khatri and Co. argumentam que a constelação de tais satélites é uma maneira muito boa de criar uma Internet quântica global. O ponto principal é que, para comunicação segura, duas estações terrestres devem ser conectadas ao mesmo satélite ao mesmo tempo, para que possam receber fótons emaranhados.
A que altitude os satélites devem voar para ter a maior cobertura possível? E quantos serão necessários?
No momento, os satélites são um recurso caro, então eu gostaria de usá-los o menos possível, mantendo uma cobertura completa e contínua. Samit Khatri & Co.
Para dar uma resposta, a equipe criou um modelo dessa constelação. Aconteceu que você precisa considerar várias compensações importantes que precisa fazer. Por exemplo, menos satélites podem fornecer cobertura total quando estão em alta órbita. Porém, quanto mais altos os satélites, maior a perda de fótons.
Além disso, os satélites em baixa órbita podem cobrir apenas distâncias mais curtas entre as estações, porque ambos devem ver o mesmo satélite ao mesmo tempo.
Aceitando essas limitações, Khatri e sua equipe propuseram um equilíbrio melhor: uma constelação de pelo menos 400 satélites voando a uma altitude de cerca de 3.000 quilômetros acima do nível do mar. Para comparação, o GPS custa 24 satélites.
Mesmo assim, a distância máxima entre estações terrestres será limitada a 7.500 quilômetros. Isso significa que esse sistema pode fornecer transmissão segura de dados entre Londres e Mumbai, entre os quais 7200 quilômetros, mas não entre Londres e Houston (a 7800 quilômetros um do outro) ou qualquer outra cidade localizada ainda mais. Esta é uma desvantagem significativa.
Apesar disso, a Internet quântica espacial é muito superior ao sistema repetidor quântico terrestre, afirma Khatri e companhia. - Os repetidores devem estar localizados em um segmento inferior a 200 quilômetros; portanto, cobrir grandes distâncias exigirá um grande número desses dispositivos. Isso impõe seu próprio conjunto de restrições à Internet quântica.
Acreditamos que os satélites têm uma vantagem significativa sobre o modo de propagação de entrelaçamento em terra. Samit Khatri & Co.
Obviamente, esse sistema exigirá investimentos significativos. A China tem a vantagem óbvia de já ter experimentado um satélite com essa tecnologia. E eles não vão parar.
Ao mesmo tempo, menos ambição é demonstrada na Europa e nos EUA a esse respeito. As coisas podem mudar rapidamente se essa tecnologia provar seu valor. Então, uma corrida espacial quântica pode estar prestes a começar.