Hoeveel satellieten zijn er nodig om Quantum Internet te bouwen?

• Het in de ruimte gebaseerde kwantuminternet zou aanzienlijk beter presteren dan op de grond gebaseerde netwerken van kwantumrepeaters.
• Voor het bouwen van een wereldwijd kwantuminternet zouden meer dan 400 satellieten op een hoogte van 1.900 mijl moeten worden geplaatst.

De meest bruikbare toepassing van kwantummechanica is de mogelijkheid om veilige communicatie uit te voeren via kwantumsleuteldistributie. Het kwantuminternet - dat voor veel technologen een droom is - zou de uitvoering van andere kwantuminformatieverwerkingstaken mogelijk maken, waaronder kwantumkloksynchronisatie, kwantumteleportatie en gedistribueerde kwantummetrologie en detectie.

Dit betekent dat kwantuminternet alles kan beveiligen, van privéberichten en contracten tot financiële transacties. En aangezien de komende kwantumcomputers in staat zullen zijn om bestaande versleutelingsalgoritmen te kraken, zal dit soort beveiliging noodzakelijk worden.

Maar het bouwen van een wereldwijd kwantuminternet is een moeilijke experimentele uitdaging. Onlangs presenteerde een team van onderzoekers van de Louisiana State University de meest kostenefficiënte methode om dit te doen.

Het gaat om het creëren van een constellatie van quantum-enabled satellieten die continu verstrengelde fotonen naar de grond kunnen uitzenden. De twee meest fundamentele vragen die rijzen bij het overwegen van een dergelijke benadering zijn:

1) Hoeveel satellieten zijn er nodig om een ​​wereldwijde dekking te bereiken die beter presteert dan op de grond gebaseerde kwantumrepeaterconfiguraties?

2) Op welke hoogte moeten deze satellieten worden geplaatst?

Eerst wat achtergrond

Het belangrijkste kenmerk van zo'n netwerk is kwantumverstrengeling – een fenomeen waarbij twee kwantumdeeltjes hetzelfde bestaan ​​delen, zelfs als ze op grote afstand van elkaar verwijderd zijn. De verstrengelde deeltjes blijven verbonden en acties die op de ene worden uitgevoerd, hebben invloed op de andere.

Wetenschappers gebruiken meestal fotonenparen (die op hetzelfde moment zijn gemaakt) om verstrengeling te verspreiden. Wanneer u fotonen naar verschillende locaties stuurt, kunt u hun verstrengeling gebruiken om beveiligde berichten te verzenden.

De verstrengeling (die fotonen met elkaar verbindt) is echter uiterst kwetsbaar en moeilijk te behouden. Zelfs een kleine interactie tussen het foton en zijn omgeving kan de verbinding verbreken.

Dit is meestal wat er gebeurt wanneer verstrengelde fotonen rechtstreeks door optische vezels of de atmosfeer worden verzonden. Deze fotonen interageren met andere atomen in het glas of de atmosfeer. Met bestaande technologie kan de verstrengeling slechts een paar honderd mijl worden gedeeld.

Dus hoe bouw je een kwantuminternet?

Er zijn twee opties:de eerste omvat het gebruik van apparaten, kwantumrepeaters genaamd, die de kwantumkenmerken beoordelen zodra ze aankomen en deze doorsturen naar nieuwe fotonen die onderweg worden gestuurd. Hoewel het verstrikking kan behouden, is de techniek gevoelig voor fouten en kan het enkele jaren duren om te implementeren.

De tweede optie omvat het creëren van verstrengelde fotonenparen in de ruimte en deze uit te zenden naar twee grondstations op verschillende locaties. De stations zullen in staat zijn om informatie uit te wisselen met perfecte geheimhouding.

China heeft al kwantumexperimenten uitgevoerd op ruimteschaal. In 2016 lanceerden ze een satelliet genaamd Micius om quantumoptica-experimenten over lange afstanden mogelijk te maken.

In dergelijke op satellieten gebaseerde scenario's bestrijken fotonen alleen de laatste 13 mijl van hun reis door de atmosfeer. Zo kunnen ze veel verder reizen (mits de satelliet niet te dicht bij de horizon staat).

Referentie:arXiv:1912.06678

Volgens onderzoekers zou een vergelijkbaar netwerk van satellieten (indien op grote schaal geïmplementeerd) een efficiënter mondiaal kwantuminternet creëren. Om informatie veilig te verzenden/ontvangen, moeten twee grondstations op hetzelfde moment met dezelfde satelliet communiceren, zodat beide stations verstrengelde fotonen van de satelliet ontvangen.

Hulpbronnen minimaliseren 

Het bouwen en lanceren van satellieten kost miljoenen dollars, daarom is het belangrijk om het aantal satellieten in het netwerk zo laag mogelijk te houden zonder de dekking in gevaar te brengen.

Onderzoekers hebben een dergelijk netwerk gemodelleerd en ontdekten dat er een paar cruciale afwegingen moeten worden gemaakt. Zo kunnen minder satellieten die op grotere hoogte zijn geplaatst een wereldwijde dekking bieden, maar dit kan leiden tot grotere fotonenverliezen. Terwijl satellieten op lagere hoogten alleen kortere afstanden tussen grondstations kunnen overbruggen.

Volgens het onderzoeksteam zou het beste compromis een netwerk zijn van ongeveer 400 satellieten die op een hoogte van 1.900 mijl vliegen. Om dit in perspectief te plaatsen:GPS heeft 24 satellieten die op een hoogte van 12.500 mijl werken.

De maximale afstand tussen twee grondstations blijft echter beperkt tot 4.700 mijl. Dit betekent dat een dergelijk netwerk veilige communicatie kan ondersteunen tussen New York en Londen (3.459 mijl uit elkaar), maar niet tussen Houston en Londen (4.846 mijl uit elkaar).

Ondanks dit grote nadeel, zou het in de ruimte gebaseerde kwantuminternet aanzienlijk beter presteren dan grondgebaseerde netwerken van kwantumrepeaters (waarbij elke 120 mijl één repeater moet worden geïnstalleerd).

Lees:18 meest interessante feiten over kwantumcomputers

Hoewel hybride netwerken die op de ruimte gebaseerde kwantumcommunicatieplatforms verbinden met kwantumrepeaters op de grond, deze visie werkelijkheid kunnen maken.