Ученые из Китая разработали компактную спутниковую систему квантовой связи, чья масса составляет всего 60 килограмм, и успешно проверили ее работу на борту орбитальной станции «Тяньгун-2». Этот прибор ускорит создание наземно-космического «квантового интернета», пишут ученые в статье, опубликованной в журнале Optica.
«Результаты наших опытов говорят о том, что мы можем создать наземно-космическую квантовую сеть, работа которой будет построена на базе компактных систем квантовой связи, встроенных в микроспутники или флотилии спутников. Уже в ближайшем будущем они будут использоваться для защиты межгосударственной, дипломатической и финансовой корреспонденции», – заявил профессор Научно-технологического университета Китая (Хэфэй) Пэн Чэнчжи.
Одна из главных проблем в работе современных систем квантовой связи заключается в том, что свет постепенно угасает при движении через оптоволокно. По этой причине расстояние между узлами квантовых сетей на текущий момент составляет несколько сотен километров при использовании наземных систем передачи данных.
Повысить дальность передачи квантовой информации можно, обмениваясь данными не через наземные оптоволоконные кабели, а через спутники связи. В частности, еще в сентябре 2016 года ученые из Китая запустили подобный аппарат, орбитальный зонд «Мо-Цзы», и успешно использовали его для проведения первых «межконтинентальных» сессий передачи квантовой информации. В России разработкой подобных технологий занимается компания QSpace, один из стартапов Российского квантового центра.
Пэн Чэнчжи и другие разработчики «Мо-Цзы» несколько лет работают над решением главного недостатка данной системы наземно-космической квантовой связи – отсутствия постоянной связи со спутником из-за особенностей его орбиты и высокой облачности. Как предположили ученые, данную проблему можно решить, если отправить на орбиту целую флотилию из зондов, каждый из которых будет способен соединяться с наземными станциями квантовой связи.
Для этого, как отмечают ученые, им пришлось радикальным образом перестроить набор из источников одиночных фотонов, фотоприемников и других компонентов, которые были установлены на «Мо-Цзы». Их общая масса превышает 130 килограмм и при этом они потребляют больше 130 Вт энергии, что не позволяет встраивать их в компактные спутники связи.
Руководствуясь этими соображениями, физики более чем вдвое уменьшили массу системы связи и на 62% снизили ее энергозатраты. Первый прототип такой спутниковой системы массой 60 кг был установлен на борту китайской орбитальной станции «Тяньгун-2» и успешно проверен в работе в рамках двух десятков сеансов связи с четырьмя наземными приемниками одиночных фотонов. Эти опыты были проведены в октябре 2018 года и в феврале 2019 года.
Результаты этих экспериментов, как отмечает Пэн Чэнчжи, позволили подобрать оптимальные параметры орбит для будущих спутников квантовой связи, на которых они будут максимально долго и эффективно поддерживать контакт с наземными приемниками и передатчиками данных. Эти сведения, по словам исследователей, помогут инженерам создать первые флотилии спутников квантовой связи, обеспечивающие надежную защищенную связь между далекими абонентами.