Китайский спутник - гигантский шаг для квантового интернета

Цай Ян / Синьхуа через провод ZUMA

600-килограммовый квантовый спутник Китая содержит кристалл, который производит запутанные фотоны.

Обновление: Китай запустил первый в мире квантовый спутник 16 августа. Спутник «Квантовые эксперименты в космическом масштабе» (QUESS), который был запущен из Центра запуска спутника Цзюцюань в северном Китае в 1:40 по местному времени, успешно вышел на орбиту на высоте 500 километров.

Китай готов запустить первый в мире спутник, предназначенный для проведения квантовых экспериментов. Флот корабля с квантовой поддержкой, вероятно, последует.

Сначала может быть больше китайских спутников, которые вместе создадут сверхзащищенную сеть связи, потенциально связывающую людей в любой точке мира. Но группы из Канады, Японии, Италии и Сингапура также имеют планы по проведению квантовых космических экспериментов.

«Определенно, я думаю, что будет гонка», говорит Чаоян Лу физик из Университета науки и технологии Китая в Хэфэй, который работает с командой, работающей за китайским спутником. 600-килограммовый корабль, последний в ряд китайских космических спутников , будет запущен из Jiuquan Satellite Launch Center в августе. Китайская академия наук и Австрийская академия наук участвуют в миссии стоимостью 100 миллионов долларов США.

Квантовые коммуникации безопасны, потому что любое вмешательство в них можно обнаружить. Две стороны могут общаться тайно - например, используя общий ключ шифрования, закодированный в поляризации цепочки фотонов, - будучи в безопасности, зная, что любое прослушивание оставит свой след.

Пока что ученым удалось продемонстрировать квантовую связь примерно до 300 километров , Фотоны, проходящие через оптические волокна и воздух, рассеиваются или поглощаются, и усиление сигнала при сохранении хрупкого квантового состояния фотона чрезвычайно затруднительно. Китайские исследователи надеются, что передача фотонов в космосе, где они путешествуют более плавно, позволит им общаться на больших расстояниях.

В основе их спутника лежит кристалл, который производит пары запутанных фотонов, свойства которых остаются сплетенными, даже если они находятся далеко друг от друга. Первой задачей корабля будет увольнение партнеров в этих парах на наземные станции в Пекине и Вене и использование их для генерации секретного ключа.

Во время двухлетней миссии команда также планирует выполнить статистическое измерение, известное как тест Белла, чтобы доказать, что может существовать запутанность между частицами, разделенными расстоянием в 1200 километров. Хотя квантовая теория предсказывает, что запутанность сохраняется на любом расстоянии, тест Белла это докажет ,

Команда также попытается «телепортировать» квантовые состояния, используя запутанную пару фотонов вместе с информацией, передаваемой более традиционными способами, для восстановления квантового состояния фотона в новом месте.

«Если первый спутник пойдет хорошо, Китай определенно запустит больше», - говорит Лу. Он добавил, что для обеспечения безопасной связи по всему миру потребуется около 20 спутников.

Команды из-за пределов Китая идут другим путем. Сотрудничество между Национальным университетом Сингапура (NUS) и Университетом Стратклайда, Великобритания, использует дешево 5-килограммовые спутники, известные как кубы делать квантовые эксперименты. В прошлом году команда запустила кубат, который создал и измерил пары «коррелированных» фотонов на орбите; в следующем году он надеется выпустить устройство, которое производит полностью запутанные пары.

По словам физика NUS Александра Линга, который возглавляет проект, кубы могут стоить всего 100 000 долларов за штуку.

Канадская команда предлагает генерировать пары спутанных фотонов на земле, а затем запускать некоторые из них в микроспутник, который весит менее 30 килограммов. Это было бы дешевле, чем генерировать фотоны в космосе, говорит Брендон Хиггинс, физик из Университета Ватерлоо, который является частью канадской команды квантового шифрования и научного спутника (QEYSSat). Но доставка фотонов на движущийся спутник была бы проблемой. Команда планирует сначала протестировать систему с использованием фотонного приемника на самолете.

Еще более простой подход к квантовой космической науке, впервые предложенный командой из Университета Падуи в Италии под руководством Паоло Виллорези, предусматривает добавление отражателей и другого простого оборудования к обычным спутникам. В прошлом году команда показала, что фотоны, отскочившие назад к Земле от существующего спутника, сохранили свои квантовые состояния и были получены с достаточно низким уровнем ошибок для квантовой криптографии ( Г. Валлоне и соавт. Phys. Преподобный Летт. 115, 040502; 2015 ). В принципе, по словам исследователей, этот метод можно использовать для генерации секретных ключей, хотя и с более медленной скоростью, чем в более сложных установках.

Исследователи также предложили провести квантовый эксперимент на Международной космической станции (МКС), который бы одновременно запутывал состояния двух отдельных свойств фотона - метод, известный как гиперсвязывание, - чтобы сделать телепортацию более надежной и эффективной.

По словам Пола Квайата, физика из Университета Иллинойса, Пол Квайат, физик из Университета Иллинойса, не только делает связь намного более безопасной, но и делает эти спутниковые системы важным шагом на пути к «квантовому интернету», состоящему из квантовых компьютеров по всему миру, или облаку квантовых вычислений Урбана - Шампейн, который работает с НАСА над проектом МКС.

Квантовый Интернет, вероятно, будет включать в себя сочетание спутниковых и наземных каналов связи, говорит Антон Цейлингер, физик из Австрийской академии наук в Вене, который безуспешно спорил о европейском квантовом спутнике, прежде чем объединить усилия с китайской командой. И некоторые проблемы остаются. Например, физикам нужно будет найти способы, с помощью которых спутники могут напрямую общаться друг с другом; совершенствовать искусство запутывания фотонов, поступающих из разных источников; и повысить скорость передачи данных с использованием одиночных фотонов от мегабит до гигабит в секунду.

Если китайская команда добьется успеха, другим группам будет легче получить финансирование для квантовых спутников, говорит Цейлингер. Соединенные Штаты относительно невелики, когда речь заходит об этой конкретной космической гонке, но Цайлингер предполагает, что они могли бы больше работать над темой, которая засекречена.

В конце концов, квантовая телепортация в космосе может даже позволить исследователям объединить фотоны со спутников, чтобы создать распределенный телескоп с эффективной апертурой размером с Землю и огромным разрешением. «Вы могли не только видеть планеты, - говорит Квит, - но в принципе читать номерные знаки на спутниках Юпитера».