Квантовый интернет стал ближе: физики доказали, что сигналы эффективнее отправлять с Земли на спутник, а не наоборот

Для создания глобального квантового интернета нам нужен способ надежно связывать квантовые компьютеры на разных континентах. Основным ресурсом для такой связи является квантовая запутанность, и сегодня самый очевидный способ ее распространения — через спутники. Сейчас стандартная схема такая: спутник на орбите генерирует пары запутанных фотонов и отправляет их вниз, на две наземные станции. Такая система называется нисходящий канал.

Этот метод работает, но у него есть серьезный недостаток.

Энергетические возможности спутника ограничены. Генерация фотонов — процесс очень энергозатратный, а на борту космического аппарата ее выработка ограничивается компактными солнечными панелями. Это напрямую влияет на скорость, с которой мы можем создавать запутанные пары, и тормозит развитие всей сети. А почему нельзя все сделать наоборот? Что, если генерировать фотоны на Земле, где энергии в избытке, и отправлять их вверх, на спутник?

Такой способ называется восходящий канал, но долгое время он считался практически неосуществимым. Новое теоретическое исследование показывает, что мы, возможно, ошибались.

В чем главная проблема восходящего канала?

Тут их даже две:

Первая — атмосфера. Когда фотон стартует с Земли, его луч еще очень узкий и концентрированный. Плотные и нестабильные слои атмосферы немедленно начинают его искажать и рассеивать. Это явление называется атмосферной турбулентностью. В стандартной нисходящей схеме фотон большую часть пути летит в вакууме, его луч естественным образом расширяется, и лишь в самом конце он встречает плотную атмосферу. Широкий луч гораздо менее чувствителен к локальным искажениям. Поэтому при отправке снизу вверх потери и ошибки оказываются значительно выше.

Вторая — точность. Спутник — это крошечная цель, летящая с огромной скоростью. Наземные станции должны не только попасть в него фотонами с расстояния в сотни километров, но и сделать это одновременно, чтобы два фотона от разных станций прибыли на детектор спутника в один и тот же момент. Малейший рассинхрон во времени или пространстве делает измерение невозможным.

Эти два фактора и создали репутацию восходящего канала как безнадежной затеи. Но так ли все однозначно?

Математика против предубеждений

Авторы исследования решили проверить старые допущения с помощью детального численного моделирования. Они создали математическую модель, которая учитывала все возможные помехи и физические эффекты:

• Расширение и блуждание лазерного луча.
• Поглощение и рассеяние фотонов в атмосфере.
• Шум от посторонних источников света (например, отраженного от Земли солнечного света).
• Возможные несовпадения фотонов по времени прибытия на спутник.

Целью было выяснить, существуют ли реалистичные условия, при которых система может работать с приемлемой эффективностью и точностью. Ответ оказался положительным, но с оговорками.

Условие первое: только ночь. Моделирование показало, что днем протокол не работает. Отраженный от поверхности Земли и атмосферы солнечный свет создает очень сильный фоновый шум. Детекторы на спутнике слепнут от потока случайных фотонов, среди которых невозможно вычленить нужный сигнал. Ночью же, когда единственным источником помех остается слабый свет Луны и собственное излучение планеты, соотношение сигнала к шуму становится приемлемым.

Условие второе: компромисс параметров. Результаты зависят от баланса между высотой орбиты спутника и расстоянием между наземными станциями.

• Чем выше спутник, тем меньший слой атмосферы приходится пробивать фотонам под острым углом, но тем дольше их путь, и тем сильнее расширяется луч.
• Чем дальше друг от друга станции на Земле, тем больший угол и, следовательно, больший путь должны проделать фотоны в атмосфере, что снижает и точность, и вероятность успеха.

Расчеты показали, что даже при не самых идеальных условиях можно добиться хороших результатов. Возьмем реалистичный пример: спутник на высоте 500 км, а две наземные станции разделены на 1000 километров. В этом случае точность создаваемой квантовой связи достигает 84%. При этом вероятность успеха для каждой отдельной пары фотонов составляет лишь несколько миллионных долей. На первый взгляд — это очень низкая цифра, но поскольку наземные станции могут отправлять гигантское число фотонов, даже такая низкая эффективность обеспечивает тысячи успешных соединений в секунду. Этого уже достаточно для построения рабочей сети.

В оптимальной же конфигурации — спутник на низкой орбите 200 км и станции на расстоянии 300 км — модель предсказывает точность выше 97%. Этого более чем достаточно для практических приложений квантовой связи.

Что это меняет?

Эта работа не предоставляет техническое решение вопроса. Это теоретическое доказательство жизнеспособности идеи, которую долгое время считали нереализуемой.

Вместо того чтобы пытаться разместить на орбите мощное и сложное оборудование для генерации фотонов, мы можем сосредоточиться на другой задаче: создании сверхточных наземных систем наведения и синхронизации. А на спутник возложить лишь одну, относительно простую функцию — быть высокоточным измерительным прибором.

На Земле мы можем позволить себе практически неограниченные энергетические и вычислительные ресурсы. И если это исследование подтолкнет инженеров к работе в данном направлении, возможно, именно такая схема отправки фотонов в космос в итоге и станет основой для по-настоящему глобального квантового интернета.

Источник: Physical Review Research