211service.com
Hvorfor kvanteinternett bør bygges i verdensrommet
Kvantesatellitter MS Tech / Kilde: NASA
Kvanteinternett er en drøm som mange teknologer har forklart de siste årene. Tanken er å utnytte de merkelige kvanteegenskapene til fotoner og elektroner for å sende meldinger med perfekt hemmelighold.
Det har åpenbart bruk for regjeringer og militæret, men det er i økende grad av interesse for banker og andre kommersielle operasjoner som trenger å sikre alt fra kontrakter til finansielle transaksjoner. Dessuten er denne typen sikkerhet stadig mer nødvendig fordi kvantedatamaskiner vil kunne bryte kodene som brukes for øyeblikket for å holde mange meldinger private.
Og det reiser et interessant spørsmål: Hvordan bør forskere og ingeniører gå om oppgaven med å bygge et kvanteinternett som spenner over hele kloden?
I dag får vi svar takket være arbeidet til Sumeet Khatri og kolleger ved Louisiana State University i Baton Rouge. Dette teamet har studert de forskjellige måtene et kvanteinternett kan bygges på, og sier at den mest kostnadseffektive tilnærmingen er å lage en konstellasjon av kvanteaktiverte satellitter som er i stand til kontinuerlig å kringkaste sammenfiltrede fotoner til bakken. Kvanteinternettet skal med andre ord være rombasert.
Først litt bakgrunn. I hjertet av ethvert kvantenettverk er den merkelige egenskapen til sammenfiltring. Dette er fenomenet der to kvantepartikler deler samme eksistens, selv om de er adskilt av store avstander. Det sikrer at en måling på en av disse partiklene umiddelbart påvirker den andre, et vidunder som Einstein kalte skummel handling på avstand.
Fysikere distribuerer vanligvis sammenfiltring ved å bruke par av fotoner opprettet på samme tidspunkt og øyeblikk. Når fotonene sendes til forskjellige steder, kan sammenfiltringen som forbinder dem utnyttes til å sende sikre meldinger.
Problemet er at sammenfiltring er skjør og vanskelig å bevare. Enhver liten interaksjon mellom en av fotonene og dens miljø bryter koblingen. Det er faktisk akkurat det som skjer når fysikere overfører sammenfiltrede fotoner direkte gjennom atmosfæren eller gjennom optiske fibre. Fotonene samhandler med andre atomer i atmosfæren eller glasset, og sammenfiltringen blir ødelagt. Det viser seg at den maksimale avstanden som sammenfiltring kan deles over på denne måten er bare noen få hundre kilometer.
Hvordan bygge et kvanteinternett som deler sammenfiltring over hele kloden? Ett alternativ er å bruke kvanterepeatere – enheter som måler kvanteegenskapene til fotoner når de ankommer og deretter overfører disse egenskapene til nye fotoner som sendes på vei. Dette bevarer sammenfiltring, slik at den kan hoppe fra en repeater til den neste. Imidlertid er denne teknologien svært eksperimentell og flere år fra kommersiell utnyttelse.
Så et annet alternativ er å lage de sammenfiltrede parene av fotoner i rommet og kringkaste dem til to forskjellige basestasjoner på bakken. Disse basestasjonene blir deretter viklet inn, slik at de kan bytte meldinger med perfekt hemmelighold.
I 2017 viste en kinesisk satellitt kalt Micius for første gang at sammenfiltring faktisk kan deles på denne måten. Det viser seg at fotoner kan reise mye lenger i dette scenariet fordi bare de siste 20 kilometerne eller så av reisen går gjennom atmosfæren, forutsatt at satellitten er høyt på himmelen og ikke for nær horisonten.
Khatri og co sier at en konstellasjon av lignende satellitter er en mye bedre måte å skape et globalt kvanteinternett på. Nøkkelen er at for å kommunisere sikkert, må to bakkestasjoner kunne se den samme satellitten samtidig slik at begge kan motta sammenfiltrede fotoner fra den.
I hvilken høyde bør satellittene fly for å gi så bred dekning som mulig? Og hvor mange vil være nødvendig? Siden satellitter i dag er en kostbar ressurs, vil vi gjerne ha så få satellitter som mulig i nettverket samtidig som vi opprettholder fullstendig og kontinuerlig dekning, sier Khatri og co.
For å finne ut, modellerte teamet en slik konstellasjon. Det viser seg at det er en rekke viktige avveininger å ta hensyn til. For eksempel kan færre satellitter gi global dekning når de går i bane i stor høyde. Men høyere høyder fører til større foton-tap.
Dessuten kan satellitter i lavere høyder spenne over kortere avstander mellom basestasjoner, fordi begge må kunne se den samme satellitten samtidig.
Gitt disse begrensningene, foreslår Khatri og co at det beste kompromisset er en konstellasjon med minst 400 satellitter som flyr i en høyde på rundt 3000 kilometer. Derimot opererer GPS med 24 satellitter.
Selv da vil den maksimale avstanden mellom basestasjonene være begrenset til rundt 7500 kilometer. Dette betyr at et slikt system kan støtte sikker meldingsutveksling mellom London og Mumbai, som er 7200 km fra hverandre, men ikke mellom London og Houston, 7800 km fra hverandre – eller faktisk mellom byer som er lenger fra hverandre. Det er en betydelig ulempe.
Likevel overgår et rombasert kvanteinternett betydelig bakkebaserte systemer av kvanterepetere, sier Khatri og co. Repeatere må være plassert med intervaller på mindre enn 200 kilometer, så å dekke lange avstander vil kreve et stort antall av dem. Dette introduserer sitt eget sett med begrensninger for et kvanteinternett. Vi finner dermed at satellitter gir en betydelig fordel fremfor bakkebasert sammenfiltringsdistribusjon, sier Khatri og co.
Selvfølgelig vil et slikt system kreve betydelige investeringer. Kina har en åpenbar fordel, etter å ha allerede testet en satellitt i bane med denne typen teknologi. Og den har planer om å gå videre.
Derimot ser Europa og USA ut til å ha mindre ambisjoner i denne forbindelse. Det kan endre seg raskt hvis denne teknologien kan bevise sin verdi. i så fall kan kvanteromkappløpet akkurat være i ferd med å varmes opp.
Ref: arxiv.org/abs/1912.06678 : Spooky Action at a Global Distance – Ressurshastighetsanalyse av et rombasert sammenfiltrings-distribusjonsnettverk for Quantum Internet