Quantos satélites seriam necessários para construir a Internet Quântica?

• 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 1.900 milhas.

A aplicação mais útil da mecânica quântica é a capacidade de realizar comunicação segura por meio da distribuição de chaves quânticas. A internet quântica - que é um sonho para muitos tecnólogos - permitiria a execução de outras tarefas de processamento de informação quântica, incluindo sincronização de relógio quântico, teletransporte quântico e metrologia quântica distribuída e sensoriamento.

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

Mas construir uma internet quântica em escala global é um desafio experimental difícil. Recentemente, uma equipe de pesquisadores da Louisiana State University apresentou o método mais econômico para fazer isso.

Envolve a criação de uma constelação de satélites habilitados para o quantum que podem transmitir fótons emaranhados continuamente para o solo. As duas questões mais básicas surgem ao considerar tal abordagem:

1) Quantos satélites são necessários para alcançar uma cobertura global que supere as configurações de repetidor quântico baseado em solo?

2) Em que altitude esses satélites devem ser colocados?

Primeiro algumas informações básicas

A característica mais importante de tal rede é o emaranhamento quântico - um fenômeno onde duas partículas quânticas compartilham a mesma existência, mesmo quando estão separadas por uma grande distância. As partículas emaranhadas permanecem conectadas e as ações realizadas em uma afetam a outra.

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

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

Isso geralmente é o que acontece durante a transmissão de fótons emaranhados diretamente por meio de fibras ópticas ou da atmosfera. Esses fótons interagem com outros átomos no vidro ou na atmosfera. Com a tecnologia existente, o emaranhamento pode ser compartilhado apenas algumas centenas de quilômetros.

Então, como construir uma Internet quântica?

Existem duas opções:a primeira envolve o uso de dispositivos chamados repetidores quânticos que avaliam as características quânticas assim que chegam e as transmitem para novos fótons que são enviados em seu caminho. Embora possa preservar o emaranhamento, a técnica está sujeita a erros e pode levar vários anos para ser implementada.

A segunda opção envolve a criação de pares emaranhados de fótons no espaço e sua transmissão para duas estações terrestres em locais diferentes. As estações poderão trocar informações com total sigilo.

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

Em tais cenários baseados em satélites, os fótons cobrem apenas os últimos 21 quilômetros de sua jornada pela atmosfera. Assim, eles podem viajar muito mais longe (dado que o satélite não está muito perto do horizonte).

Referência:arXiv:1912.06678

De acordo com os pesquisadores, uma rede semelhante de satélites (se implementada em grande escala) criaria uma internet quântica global mais eficiente. Para enviar / receber informações com segurança, duas estações terrestres devem se comunicar com o mesmo satélite no mesmo instante para que ambas as estações recebam fótons emaranhados do satélite.

Minimizando recursos

A construção e o lançamento de satélites custam 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 serem considerados. Por exemplo, menos satélites colocados em altitudes mais altas podem fornecer cobertura global, mas pode resultar em maiores perdas de fótons. Considerando que, os satélites em altitudes mais baixas só podem cobrir distâncias mais curtas entre as 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 1.900 milhas. Para colocar isso em perspectiva, o GPS tem 24 satélites operando a uma altitude de 12.500 milhas.

No entanto, a distância máxima entre duas estações terrestres ainda será limitada a 4.700 milhas. Isso significa que tal rede poderia suportar comunicação segura entre Nova York e Londres (3.459 milhas de distância), mas não entre Houston e Londres (4.846 milhas de distância).

Apesar desta grande desvantagem, a internet quântica baseada no espaço superaria substancialmente as redes terrestres de repetidores quânticos (onde um repetidor deve ser instalado a cada 120 milhas).

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Embora as redes híbridas interfaceando plataformas de comunicação quântica baseadas no espaço com repetidores quânticos baseados em terra possam transformar essa visão em realidade.