Waarom het kwantuminternet in de ruimte moet worden gebouwd

Quantum Satellieten MS Tech / Bron: NASA

Het kwantuminternet is een droom die veel technologen de afgelopen jaren hebben uiteengezet. Het idee is om de vreemde kwantumeigenschappen van fotonen en elektronen te exploiteren om berichten met perfecte geheimhouding te verzenden.

Dat heeft een duidelijke toepassing voor regeringen en het leger, maar het is in toenemende mate interessant voor banken en andere commerciële operaties die alles moeten beveiligen, van contracten tot financiële transacties. Bovendien is dit soort beveiliging steeds meer nodig omdat kwantumcomputers in staat zullen zijn de codes te doorbreken die momenteel worden gebruikt om veel berichten privé te houden.

En dat roept een interessante vraag op: hoe moeten wetenschappers en ingenieurs de taak aanpakken om een ​​kwantuminternet te bouwen dat de hele wereld omspant?

Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Sumeet Khatri en collega's van de Louisiana State University in Baton Rouge. Dit team heeft de verschillende manieren bestudeerd waarop een kwantuminternet kan worden gebouwd en zegt dat de meest kosteneffectieve benadering is om een ​​constellatie van kwantum-compatibele satellieten te creëren die continu verstrengelde fotonen naar de grond kunnen uitzenden. Met andere woorden, het kwantuminternet moet ruimtegebaseerd zijn.

Eerst wat achtergrond. De kern van elk kwantumnetwerk is de vreemde eigenschap van verstrengeling. Dit is het fenomeen waarbij twee kwantumdeeltjes hetzelfde bestaan ​​delen, zelfs als ze door grote afstanden van elkaar zijn gescheiden. Het zorgt ervoor dat een meting aan het ene van deze deeltjes direct invloed heeft op het andere, een wonder dat Einstein spookachtige actie op afstand noemde.

Natuurkundigen verspreiden verstrengeling meestal met behulp van fotonenparen die op hetzelfde punt en op hetzelfde moment in de tijd zijn gemaakt. Wanneer de fotonen naar verschillende locaties worden gestuurd, kan de verstrengeling die ze met elkaar verbindt worden misbruikt om beveiligde berichten te verzenden.

Het probleem is dat verstrengeling kwetsbaar en moeilijk te behouden is. Elke kleine interactie tussen een van de fotonen en zijn omgeving verbreekt de link. Dit is inderdaad precies wat er gebeurt als natuurkundigen verstrengelde fotonen rechtstreeks door de atmosfeer of via optische vezels sturen. De fotonen interageren met andere atomen in de atmosfeer of het glas, en de verstrengeling wordt vernietigd. De maximale afstand waarover op deze manier verstrengeling kan worden gedeeld, blijkt slechts een paar honderd kilometer te zijn.

Hoe bouw je dan een kwantuminternet dat verstrikt raakt over de hele wereld? Een optie is om kwantumrepeaters te gebruiken - apparaten die de kwantumeigenschappen van fotonen meten wanneer ze aankomen en deze eigenschappen vervolgens overbrengen naar nieuwe fotonen die onderweg worden verzonden. Hierdoor blijft verstrikking behouden, waardoor het van de ene repeater naar de andere kan springen. Deze technologie is echter zeer experimenteel en enkele jaren van commerciële exploitatie.

Een andere optie is dus om de verstrengelde fotonenparen in de ruimte te creëren en ze uit te zenden naar twee verschillende basisstations op de grond. Deze basisstations raken dan verstrikt, waardoor ze in het geheim berichten kunnen uitwisselen.

In 2017 toonde een Chinese satelliet genaamd Micius voor het eerst aan dat verstrengeling inderdaad op deze manier kan worden gedeeld. Het blijkt dat fotonen in dit scenario veel verder kunnen reizen omdat alleen de laatste 20 kilometer van de reis door de atmosfeer gaat, op voorwaarde dat de satelliet hoog aan de hemel staat en niet te dicht bij de horizon.

Khatri en co zeggen dat een constellatie van vergelijkbare satellieten een veel betere manier is om een ​​wereldwijd kwantuminternet te creëren. De sleutel is dat om veilig te communiceren, twee grondstations dezelfde satelliet tegelijkertijd moeten kunnen zien, zodat beide er verstrengelde fotonen van kunnen ontvangen.

Op welke hoogte moeten de satellieten vliegen om een ​​zo breed mogelijke dekking te bieden? En hoeveel zullen er nodig zijn? Aangezien satellieten momenteel een dure hulpbron zijn, willen we zo min mogelijk satellieten in het netwerk hebben en toch een volledige en continue dekking behouden, zeggen Khatri en co.

Om daar achter te komen, heeft het team zo'n sterrenbeeld gemodelleerd. Het blijkt dat er een aantal belangrijke afwegingen zijn om rekening mee te houden. Zo kunnen minder satellieten wereldwijde dekking bieden wanneer ze op grote hoogte in een baan om de aarde draaien. Maar grotere hoogten leiden tot grotere fotonverliezen.

Ook kunnen satellieten op lagere hoogten slechts kortere afstanden tussen basisstations overbruggen, omdat beide dezelfde satelliet tegelijkertijd moeten kunnen zien.

Gezien deze beperkingen suggereren Khatri en co dat het beste compromis een constellatie is van ten minste 400 satellieten die op een hoogte van ongeveer 3.000 kilometer vliegen. GPS daarentegen werkt met 24 satellieten.

Ook dan blijft de maximale afstand tussen basisstations beperkt tot zo'n 7.500 kilometer. Dit betekent dat een dergelijk systeem beveiligde berichtenuitwisseling zou kunnen ondersteunen tussen Londen en Mumbai, die 7.200 km van elkaar verwijderd zijn, maar niet tussen Londen en Houston, 7.800 km van elkaar, of zelfs tussen steden die verder uit elkaar liggen. Dat is een belangrijk nadeel.

Desalniettemin presteert een op de ruimte gebaseerd kwantuminternet aanzienlijk beter dan grondgebaseerde systemen van kwantumrepeaters, zeggen Khatri en co. Repeaters zouden met tussenpozen van minder dan 200 kilometer moeten worden geplaatst, dus voor het overbruggen van lange afstanden zouden grote aantallen nodig zijn. Dit introduceert zijn eigen reeks beperkingen voor een kwantuminternet. We vinden dus dat satellieten een aanzienlijk voordeel bieden ten opzichte van verstrengelingsdistributie op de grond, zeggen Khatri en co.

Zo'n systeem zou natuurlijk aanzienlijke investeringen vergen. China heeft een duidelijk voordeel, aangezien het al een satelliet in een baan om de aarde heeft getest met dit soort technologie. En het heeft plannen om verder te gaan.

Europa en de VS lijken daarentegen minder ambitie te hebben in dit opzicht. Dat zou snel kunnen veranderen als deze technologie zijn waarde kan bewijzen. als dat zo is, staat de kwantumruimterace misschien op het punt om op te warmen.

Referentie: arxiv.org/abs/1912.06678 : Spookachtige actie op wereldwijde afstand - Resource-rate-analyse van een ruimtegebaseerd verstrengelingsdistributienetwerk voor het kwantuminternet

zich verstoppen