Perché l'Internet quantistica dovrebbe essere costruita nello spazio

Satelliti quantistici MS Tech / Fonte: NASA

L'Internet quantistica è un sogno che molti tecnologi hanno esposto negli ultimi anni. L'idea è di sfruttare le strane proprietà quantistiche di fotoni ed elettroni per inviare messaggi in perfetta segretezza.

Ciò ha un'ovvia applicazione per i governi e le forze armate, ma è sempre più interessante per le banche e altre operazioni commerciali che devono assicurarsi di tutto, dai contratti alle transazioni finanziarie. Inoltre, questo tipo di sicurezza è sempre più necessario perché i computer quantistici saranno in grado di violare i codici attualmente utilizzati per mantenere privati ​​molti messaggi.

E questo solleva una domanda interessante: come dovrebbero gli scienziati e gli ingegneri affrontare il compito di costruire un Internet quantistico che abbraccia il globo?

Oggi riceviamo una risposta grazie al lavoro di Sumeet Khatri e colleghi della Louisiana State University di Baton Rouge. Questo team ha studiato i vari modi in cui potrebbe essere costruita una Internet quantistica e afferma che l'approccio più conveniente è creare una costellazione di satelliti abilitati quantistici in grado di trasmettere continuamente fotoni entangled a terra. In altre parole, l'Internet quantistica dovrebbe essere basata sullo spazio.

Prima un po' di background. Al centro di ogni rete quantistica c'è la strana proprietà dell'entanglement. Questo è il fenomeno in cui due particelle quantistiche condividono la stessa esistenza, anche se separate da grandi distanze. Garantisce che una misurazione su una di queste particelle influenzi immediatamente l'altra, una meraviglia che Einstein chiamava azione spettrale a distanza.

I fisici di solito distribuiscono l'entanglement usando coppie di fotoni creati nello stesso punto e istante nel tempo. Quando i fotoni vengono inviati in luoghi diversi, l'entanglement che li collega può essere sfruttato per inviare messaggi sicuri.

Il problema è che l'entanglement è fragile e difficile da preservare. Qualsiasi piccola interazione tra uno dei fotoni e il suo ambiente interrompe il collegamento. In effetti, questo è esattamente ciò che accade quando i fisici trasmettono fotoni entangled direttamente attraverso l'atmosfera o attraverso fibre ottiche. I fotoni interagiscono con altri atomi nell'atmosfera o nel vetro e l'entanglement viene distrutto. Si scopre che la distanza massima su cui l'entanglement può essere condiviso in questo modo è di poche centinaia di chilometri.

Come costruire quindi un Internet quantistico che condivida l'entanglement in tutto il mondo? Un'opzione consiste nell'utilizzare ripetitori quantistici, dispositivi che misurano le proprietà quantistiche dei fotoni al loro arrivo e quindi trasferiscono queste proprietà a nuovi fotoni che vengono inviati nel loro percorso. Ciò preserva l'entanglement, consentendogli di passare da un ripetitore all'altro. Tuttavia, questa tecnologia è altamente sperimentale e diversi anni dallo sfruttamento commerciale.

Quindi un'altra opzione è creare le coppie entangled di fotoni nello spazio e trasmetterle a due diverse stazioni base a terra. Queste stazioni base si intrecciano, consentendo loro di scambiarsi messaggi in perfetta segretezza.

Nel 2017, un satellite cinese chiamato Micius ha mostrato per la prima volta che l'entanglement può davvero essere condiviso in questo modo. Si scopre che i fotoni possono viaggiare molto più lontano in questo scenario perché solo gli ultimi 20 chilometri circa del viaggio sono attraverso l'atmosfera, a condizione che il satellite sia alto nel cielo e non troppo vicino all'orizzonte.

Khatri e colleghi affermano che una costellazione di satelliti simili è un modo molto migliore per creare un Internet quantistico globale. La chiave è che per comunicare in modo sicuro, due stazioni di terra devono essere in grado di vedere lo stesso satellite contemporaneamente in modo che entrambi possano ricevere fotoni entangled da esso.

A quale altitudine dovrebbero volare i satelliti per fornire una copertura il più ampia possibile? E quanti saranno necessari? Poiché i satelliti sono attualmente una risorsa costosa, vorremmo avere il minor numero possibile di satelliti nella rete pur mantenendo una copertura completa e continua, affermano Khatri e co.

Per scoprirlo, il team ha modellato una tale costellazione. Si scopre che ci sono una serie di importanti compromessi da tenere in considerazione. Ad esempio, un minor numero di satelliti può fornire una copertura globale quando orbitano ad alta quota. Ma altitudini più elevate portano a maggiori perdite di fotoni.

Inoltre, i satelliti ad altitudini inferiori possono coprire solo distanze più brevi tra le stazioni base, perché entrambi devono essere in grado di vedere lo stesso satellite contemporaneamente.

Date queste limitazioni, Khatri e compagni suggeriscono che il miglior compromesso è una costellazione di almeno 400 satelliti che volano a un'altitudine di circa 3.000 chilometri. Al contrario, il GPS funziona con 24 satelliti.

Anche allora, la distanza massima tra le stazioni base sarà limitata a circa 7.500 chilometri. Ciò significa che un tale sistema potrebbe supportare la messaggistica sicura tra Londra e Mumbai, che sono a 7.200 km di distanza, ma non tra Londra e Houston, a 7.800 km di distanza, o addirittura tra qualsiasi città più distante. Questo è uno svantaggio significativo.

Tuttavia, un Internet quantistico basato sullo spazio supera in modo significativo i sistemi a terra di ripetitori quantistici, affermano Khatri e co. I ripetitori dovrebbero essere distanziati a intervalli inferiori a 200 chilometri, quindi coprire lunghe distanze ne richiederebbe un numero elevato. Questo introduce la propria serie di limiti per un Internet quantistico. Scopriamo quindi che i satelliti offrono un vantaggio significativo rispetto alla distribuzione dell'entanglement a terra, affermano Khatri e co.

Naturalmente, un tale sistema richiederebbe un investimento significativo. La Cina ha un ovvio vantaggio, avendo già testato un satellite in orbita con questo tipo di tecnologia. E ha in programma di andare oltre.

Al contrario, l'Europa e gli Stati Uniti sembrano avere meno ambizioni al riguardo. Ciò potrebbe cambiare rapidamente se questa tecnologia potesse dimostrare il suo valore. in tal caso, la corsa allo spazio quantistico potrebbe essere sul punto di riscaldarsi.

Rif: arxiv.org/abs/1912.06678 : Azione spettrale a distanza globale - Analisi del tasso di risorse di una rete di distribuzione di entanglement basata sullo spazio per Internet quantistico

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