建立量子互联网需要多少颗卫星？

量子力学最有用的应用是通过量子密钥分发执行安全通信的能力。量子互联网——这是许多技术人员的梦想——将使其他量子信息处理任务的执行成为可能，包括量子时钟同步、量子隐形传态以及分布式量子计量和传感。

这意味着量子互联网可以保护从私人消息和合同到金融交易的所有内容。而且由于即将推出的量子计算机将能够破解现有的加密算法，因此这种安全性将成为必要。

但建立全球规模的量子互联网是一项艰巨的实验挑战。最近，路易斯安那州立大学的一组研究人员提出了一种最具成本效益的方法来做到这一点。

它涉及创建一组支持量子的卫星，这些卫星可以连续向地面广播纠缠光子。考虑这种方法时会出现两个最基本的问题：

1) 需要多少颗卫星才能实现优于地面量子中继器配置的全球覆盖？

2) 这些卫星应该放置在什么高度？

这种网络最重要的特征是量子纠缠——一种两个量子粒子共享同一个存在的现象，即使它们相距很远。纠缠的粒子保持连接，对一个粒子执行的动作会影响另一个。

科学家们大多使用成对的光子（在同一时刻产生）来分布纠缠。当您将光子发送到不同位置时，您可以利用它们的纠缠来发送安全消息。

然而，纠缠（连接光子）极其脆弱且难以保存。即使光子与其环境之间的微小相互作用也可能破坏这种联系。

这通常是通过光纤或大气直接传输纠缠光子时发生的情况。这些光子与玻璃或大气中的其他原子相互作用。以现有技术，纠缠只能共享几百英里。

有两种选择：第一种涉及使用称为量子中继器的设备，该设备在量子特性到达后立即对其进行评估，并将其传输到途中发送的新光子。虽然它可以保持纠缠，但该技术容易出错，可能需要数年时间才能实现。

第二种选择涉及在太空中创建纠缠的光子对，并将它们广播到不同位置的两个地面站。电台将能够完全保密地交换信息。

中国已经在空间尺度上进行了量子实验。 2016 年，他们发射了一颗名为 Micius 的卫星，以促进长距离的量子光学实验。

在这种基于卫星的场景中，光子仅覆盖其穿越大气层的最后 13 英里。因此它们可以走得更远（因为卫星离地平线不太近）。

参考：arXiv:1912.06678

据研究人员称，类似的卫星网络（如果大规模实施）将创建更高效的全球量子互联网。为了安全地发送/接收信息，两个地面站必须在同一时刻与同一颗卫星通信，以便两个站都从卫星接收纠缠光子。

最小化资源

建造和发射卫星需要花费数百万美元，这就是为什么在不影响覆盖范围的情况下尽可能减少网络中的卫星数量很重要。

研究人员对这样的网络进行建模，发现需要考虑一些关键的权衡。例如，放置在更高海拔的卫星较少，可以提供全球覆盖，但可能会导致更大的光子损失。而低海拔的卫星只能覆盖较短的地面站之间的距离。

根据研究团队的说法，最好的折衷方案是由大约 400 颗卫星组成的网络，这些卫星在 1,900 英里的高度飞行。从这个角度来看，GPS 有 24 颗卫星在 12,500 英里的高度运行。

但是，两个地面站之间的最大距离仍将限制为 4,700 英里。这意味着这样的网络可以支持纽约和伦敦（相距 3,459 英里）之间的安全通信，但不能支持休斯顿和伦敦（相距 4,846 英里）之间的安全通信。

尽管存在这一主要缺点，但天基量子互联网的性能将大大优于地面量子中继器网络（必须每 120 英里安装一个中继器）。

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虽然将天基量子通信平台与地面量子中继器连接起来的混合网络可以将这一愿景变为现实。

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