Hoeveel Satellieten Zijn Nodig voor een Mondiale Kwantum-Internet?

Een ruimtegebaseerd kwantum-internet zou grondgebaseerde netwerken van kwantum-repeaters aanzienlijk uitsteken. Het bouwen van een wereldwijd kwantum-internet zou het plaatsen van meer dan 400 satellieten op een hoogte van 1.900 mijl (ongeveer 3.000 kilometer) vereisen.

De Belangrijkste Toepassing: Kwantum-Sleutelverdeling

De meest nuttige toepassing van kwantummechanica is de mogelijkheid om veilige communicatie te voeren via kwantum-sleutelverdeling (QKD). Het kwantum-internet — een droom voor veel technologen — zou de uitvoering van andere kwantuminformatieverwerkingstaken mogelijk maken, waaronder kwantumkloksynchronisatie, kwantumteleportatie en gedistribueerde kwantummetrologie en -sensoren.

Dit betekent dat het kwantum-internet alles kan beveiligen, van privésberichten en contracten tot financiële transacties. En aangezien toekomstige kwantumcomputers in staat zullen zijn om bestaande encryptie-algoritmen te kraken, zal dit type beveiliging onmisbaar worden.

De Uitdaging: Een Mondiale Schaal

Maar het bouwen van een wereldwijd kwantum-internet is een zware experimentele uitdaging. Onlangs presenteerde een team onderzoekers van de Louisiana State University de meest kostenefficiënte methode om dit te bereiken.

Het gaat om het creëren van een constellatie van kwantum-ingeschakelde satellieten die continu verwarde fotonen naar de aarde uitzenden. Twee fundamentele vragen rijzen bij een dergelijke aanpak:

1. Hoeveel satellieten zijn nodig om wereldwijde dekking te bereiken die grondgebaseerde kwantum-repeater-configuraties overtreft?
2. Op welke hoogte moeten deze satellieten worden geplaatst?

Achtergrond: Kwantumverwarving

Het belangrijkste kenmerk van zo'n netwerk is kwantumverwarving — een fenomeen waarbij twee kwantumdeeltjes hetzelfde bestaan delen, zelfs wanneer ze over een grote afstand gescheiden zijn. De verwarde deeltjes blijven verbonden en acties op de ene beïnvloeden de andere.

Wetenschappers gebruiken meestal paren fotonen (gelijktijdig gecreëerd) om verwarving te distribueren. Wanneer je fotonen naar verschillende locaties stuurt, kun je hun verwarving benutten om veilige berichten te sturen.

Echter, de verwarving die fotonen verbindt, is extreem kwetsbaar en moeilijk te behouden. Zelfs een minieme interactie tussen het foton en zijn omgeving kan de verbinding verbreken. Dit gebeurt meestal bij directe transmissie van verwarde fotonen door optische vezels of de atmosfeer. Deze fotonen interacteren met andere atomen in het glas of de lucht. Met de huidige technologie kan verwarving slechts over een paar honderd kilometer gedeeld worden.

Hoe Bouw Je Een Kwantum-Internet?

Er zijn twee opties:

Optie 1: Kwantum-repeaters — apparaten die de kwantumkenmerken beoordelen zodra ze arriveren en ze doorsturen naar nieuwe fotonen. Hoewel dit verwarving kan behouden, is de techniek foutgevoelig en kan het nog jaren duren voordat het geïmplementeerd is.

Optie 2: Ruimtegebaseerde verwarving — het creëren van verwarde fotonenparen in de ruimte en het uitzenden ervan naar twee grondstations op verschillende locaties. De stations kunnen dan informatie met perfecte geheimhouding uitwisselen.

China heeft al kwantumexperimenten op ruimteschaal uitgevoerd. In 2016 lanceerden ze de satelliet Micius om kwantumoptica-experimenten over lange afstanden te faciliteren.

In dergelijke satellietgebaseerde scenario's leggen fotonen slechts de laatste 13 mijl (21 km) van hun reis door de atmosfeer af. Daardoor kunnen ze veel verder reizen (mits de satelliet niet te dicht bij de horizon staat).

Minimalisatie van Middelen

Het bouwen en lanceren van satellieten kost miljoenen dollars, dus het is cruciaal het aantal satellieten zo laag mogelijk te houden zonder de dekking in het geding te laten.

Onderzoekers modeelden zo'n netwerk en ontdekten een paar cruciale afwegingen. Minder satellieten op hogere hoogtes kunnen wereldwijde dekking bieden, maar leiden tot grotere fotonverliezen. Satellieten op lagere hoogtes kunnen weer alleen kortere afstanden tussen grondstations overbruggen.

Volgens het onderzoekssteam zou de beste compromis een netwerk zijn van ongeveer 400 satellieten op een hoogte van 1.900 mijl (3.000 km). In perspectief: GPS heeft 24 satellieten op 12.500 mijl (20.000 km) hoogte.

Toch blijft de maximale afstand tussen twee grondstations beperkt tot 4.700 mijl (7.500 km). Dit betekent dat zo'n netwerk veilige communicatie tussen New York en Londen (3.459 mijl) kan ondersteunen, maar niet tussen Houston en Londen (4.846 mijl).

Ondanks dit grote nadeel, zou het ruimtegebaseerde kwantum-internet grondgebaseerde netwerken van kwantum-repeaters (waarbij elke 120 mijl een repeater geïnstalleerd moet worden) aanzienlijk uitsteken.

Hybride netwerken die ruimtegebaseerde kwantumcommunicatieplatforms combineren met grondgebaseerde kwantum-repeaters kunnen deze visie tot realiteit maken.