Quantos Satélites São Necessários para Lançar uma Internet Quântica Global?

A internet quântica baseada no espaço superaria substancialmente as redes terrestres de repetidores quânticos. Construir uma internet quântica em escala global exigiria colocar mais de 400 satélites a uma altitude de 3.000 km (aproximadamente 1.900 milhas).

A Aplicação Mais Promissora da Mecânica Quântica

A aplicação mais útil da mecânica quântica é a capacidade de realizar comunicações seguras através da distribuição de chaves quânticas (QKD). A internet quântica — um sonho para muitos tecnólogos — permitiria a execução de outras tarefas de processamento de informação quântica, incluindo sincronização de relógios quânticos, teletransporte quântico e metrologia e sensoriamento quântico distribuídos.

Isso significa que a internet quântica pode proteger tudo, desde mensagens privadas e contratos até transações financeiras. E, como os futuros computadores quânticos serão capazes de quebrar os algoritmos de criptografia atuais, esse tipo de segurança se tornará necessário.

O Desafio de Construir uma Internet Quântica Global

Mas construir uma internet quântica em escala global é um desafio experimental difícil. Recentemente, uma equipe de pesquisadores da Universidade Estadual da Louisiana apresentou o método mais custo-eficiente para fazer isso.

A abordagem envolve criar uma constelação de satélites habilitados para quântica que possam transmitir continuamente fótons entrelaçados para a Terra. Duas perguntas fundamentais surgem ao considerar essa abordagem:

1. Quantos satélites são necessários para alcançar cobertura global que supere configurações de repetidores quânticos terrestres?
2. Em que altitude esses satélites devem ser colocados?

Contexto: O Entrelaçamento Quântico

A característica mais importante de tal rede é o entrelaçamento quântico — um fenômeno onde duas partículas quânticas compartilham a mesma existência, mesmo quando separadas por grandes distâncias. As partículas entrelaçadas permanecem conectadas e ações realizadas em uma afetam a outra.

Os cientistas usam principalmente pares de fótons (criados no mesmo instante) para distribuir o entrelaçamento. Quando você envia fótons para locais diferentes, pode utilizar seu entrelaçamento para enviar mensagens seguras.

No entanto, o entrelaçamento (que conecta os fótons) é extremamente frágil e difícil de preservar. Mesmo uma minúscula interação entre o fóton e seu ambiente pode quebrar a conexão.

Isso geralmente acontece ao transmitir fótons entrelaçados diretamente através de fibras ópticas ou da atmosfera. Esses fótons interagem com outros átomos no vidro ou na atmosfera. Com a tecnologia existente, o entrelaçamento pode ser compartilhado apenas por algumas centenas de quilômetros.

Como Construir uma Internet Quântica?

Existem duas opções principais:

Opção 1: Repetidores Quânticos Terrestres — Dispositivos chamados repetidores quânticos avaliam as características quânticas assim que chegam e as transmitem para novos fótons que são enviados adiante. Embora possa preservar o entrelaçamento, a técnica é propensa a erros e pode levar vários anos para ser implementada.

Opção 2: Distribuição Baseada no Espaço — Criar pares de fótons entrelaçados no espaço e transmiti-los para duas estações terrestres em locais diferentes. As estações poderão trocar informações com sigilo perfeito.

A China já realizou experimentos quânticos em escala espacial. Em 2016, lançou um satélite chamado Micius para facilitar experimentos de óptica quântica em longas distâncias.

Em tais cenários baseados em satélites, os fótons percorrem apenas os últimos 20 km de sua jornada através da atmosfera. Assim, eles podem viajar muito mais longe (dado que o satélite não esteja muito próximo do horizonte).

Minimizando Recursos

Construir e lançar satélites custa milhões de dólares, por isso é importante manter o número de satélites o mais baixo possível na rede sem comprometer a cobertura.

Os pesquisadores modelaram essa rede e descobriram que existem alguns trade-offs cruciais a considerar. Por exemplo, menos satélites colocados em altitudes mais altas podem fornecer cobertura global, mas isso pode resultar em maiores perdas de fótons. Enquanto isso, satélites em altitudes mais baixas só podem cobrir distâncias menores entre estações terrestres.

De acordo com a equipe de pesquisa, o melhor compromisso seria uma rede de cerca de 400 satélites voando a uma altitude de 3.000 km. Para colocar em perspectiva, o GPS tem 24 satélites operando a uma altitude de 20.000 km.

No entanto, a distância máxima entre duas estações terrestres ainda será limitada a 7.500 km. Isso significa que tal rede poderia suportar comunicação segura entre Nova York e Londres (5.500 km de distância), mas não entre Houston e Londres (7.800 km de distância).

Apesar dessa grande desvantagem, a internet quântica baseada no espaço superaria substancialmente redes terrestres de repetidores quânticos (onde um repetidor deve ser instalado a cada 200 km).

Redes híbridas que interfaciam plataformas de comunicação quântica baseadas no espaço com repetidores quânticos terrestres podem transformar essa visão em realidade.

Referência: arXiv:1912.06678