З часом наука часто перетворює неможливе на можливе, і останній приклад цьому — нове дослідження, яке оцінює можливість передавання квантових сигналів із Землі на супутник, що потенційно дозволяє створювати більші та потужніші квантові комунікаційні мережі.
Вже зараз можливо передавати заплутані частинки світла із супутників на наземні станції, але ідею передавання фотонів у зворотному напрямку — із Землі у космос — раніше вважали неможливою через труднощі зі стабілізацією сигналу.
Нове дослідження команди з Університету технологій Сіднея (UTS, Австралія) показує, що це можна зробити. Воно базується на детальній моделі, яка застосовує обмін заплутаністю, враховуючи ймовірні атмосферні умови, позиціювання супутника та перешкоди від сторонніх фотонів і шуму.
«Ідея полягає у тому, щоб випустити дві одиночні частинки світла з окремих наземних станцій до супутника, що обертається на висоті 500 кілометрів над Землею зі швидкістю близько 20 000 км/год, так щоб вони зустрілися настільки точно, що відбулася квантова інтерференція», — пояснює фізик UTS Саймон Девітт.
«Дивовижно, але наше моделювання показало, що аплінк можливий. Ми врахували реальні ефекти, такі як фонове світло Землі та відблиски від Місяця, атмосферні впливи та неточне вирівнювання оптичних систем».
Чому це важливо? Квантовий інтернет обіцяє мережі, які за своєю конструкцією неможливо зламати: як тільки несанкціоновані особи намагаються отримати доступ до даних, інформація миттєво сплутується. Заплутані частинки, такі як фотони, використовуються для перевірки комунікацій на обох кінцях.
Сьогодні такі секретні ключі можна створювати на супутниках і передавати на землю. Передавати фотони вниз легше, бо атмосферне розсіювання відбувається наприкінці передачі, а не на початку. Крім того, легше потрапити у більші, більш стабільні цілі на землі, ніж у рухомий супутник у космосі.
Головна проблема — енергія: у супутників її обмаль. Наземні станції мають значно більше потужності. Виконання більш ресурсомістких задач на землі дозволяє швидше створювати більшу кількість заплутаних пар фотонів, які потім передаються супутникам для подальшого розповсюдження.
«Супутнику потрібен лише компактний оптичний модуль для взаємодії з надходячими фотонами та передачі результату», — пояснює Девітт, «а не квантове обладнання для виробництва трильйонів фотонів на секунду, необхідних для подолання втрат при передачі на землю, що дозволяє створити високошвидкісний квантовий канал. Це знижує витрати та розміри й робить підхід більш практичним».
Є й обмеження. Система могла б працювати лише вночі, без завад від сонячного світла, і навіть тоді — лише за умови ретельної калібрування. Проте це гарна база для подальших розробок.
Повноцінна квантова комунікаційна мережа ще далека від реалізації, але тепер відомо, що двосторонні системи принаймні теоретично можливі. Дослідники пропонують для майбутніх експериментів використовувати приймачі на безпілотниках або повітряних кулях.
«У майбутньому квантова заплутаність буде схожа на електрику: це ресурс, про який говорять, і який живить інші системи», — каже Девітт. «Вона виробляється та передається так, що користувач її майже не помічає — ми просто підключаємо прилади і користуємося ними».
Дослідження опубліковане у журналі Physical Review Research.