Berapa Banyak Satelit yang Dibutuhkan Untuk Membangun Internet Quantum?

• Internet kuantum berbasis luar angkasa akan secara substansial mengungguli jaringan repeater kuantum berbasis darat.
• Membangun internet kuantum skala global akan membutuhkan penempatan lebih dari 400 satelit pada ketinggian 1.900 mil.

Aplikasi mekanika kuantum yang paling berguna adalah kemampuan untuk melakukan komunikasi yang aman melalui distribusi kunci kuantum. Internet kuantum — yang merupakan impian bagi banyak teknolog — akan memungkinkan pelaksanaan tugas pemrosesan informasi kuantum lainnya, termasuk sinkronisasi jam kuantum, teleportasi kuantum, serta metrologi dan penginderaan kuantum terdistribusi.

Ini berarti internet kuantum dapat mengamankan segalanya mulai dari pesan pribadi dan kontrak hingga transaksi keuangan. Dan karena komputer kuantum yang akan datang akan dapat memecahkan algoritme enkripsi yang ada, keamanan semacam ini akan diperlukan.

Tetapi membangun internet kuantum skala global adalah tantangan eksperimental yang sulit. Baru-baru ini, tim peneliti di Louisiana State University mempresentasikan metode yang paling hemat biaya untuk melakukan ini.

Ini melibatkan pembuatan konstelasi satelit berkemampuan kuantum yang dapat terus menerus menyiarkan foton terjerat ke tanah. Dua pertanyaan paling mendasar yang muncul ketika mempertimbangkan pendekatan semacam itu adalah:

1) Berapa banyak satelit yang diperlukan untuk mencapai cakupan global yang mengungguli konfigurasi repeater kuantum berbasis darat?

2) Pada ketinggian berapa satelit ini harus ditempatkan?

Beberapa Latar Belakang Pertama

Fitur paling penting dari jaringan semacam itu adalah keterjeratan kuantum – sebuah fenomena di mana dua partikel kuantum berbagi keberadaan yang sama, bahkan ketika mereka dipisahkan oleh jarak yang jauh. Partikel yang terjerat tetap terhubung dan tindakan yang dilakukan pada satu partikel akan mempengaruhi yang lain.

Para ilmuwan kebanyakan menggunakan pasangan foton (dibuat pada saat yang sama) untuk mendistribusikan keterikatan. Saat Anda mengirim foton ke lokasi yang berbeda, Anda dapat memanfaatkan keterjeratannya untuk mengirim pesan yang aman.

Namun, keterikatan (yang menghubungkan foton) sangat rapuh dan sulit dipertahankan. Bahkan interaksi kecil antara foton dan lingkungannya dapat memutuskan hubungan.

Ini biasanya terjadi saat mentransmisikan foton terjerat secara langsung melalui serat optik atau atmosfer. Foton ini berinteraksi dengan atom lain di kaca atau atmosfer. Dengan teknologi yang ada, keterjeratan dapat dibagi hanya beberapa ratus mil.

Jadi Bagaimana Cara Membangun Internet Quantum?

Ada dua opsi:yang pertama melibatkan penggunaan perangkat yang disebut repeater kuantum yang menilai karakteristik kuantum segera setelah mereka tiba dan mengirimkannya ke foton baru yang dikirim dalam perjalanan mereka. Meskipun dapat mempertahankan keterjeratan, teknik ini rentan terhadap kesalahan dan mungkin membutuhkan waktu beberapa tahun untuk diterapkan.

Opsi kedua melibatkan pembuatan pasangan foton yang terjerat di ruang angkasa dan menyiarkannya ke dua stasiun berbasis darat di lokasi yang berbeda. Stasiun akan dapat bertukar informasi dengan sangat rahasia.

China telah melakukan eksperimen kuantum pada skala luar angkasa. Pada tahun 2016, mereka meluncurkan satelit bernama Micius untuk memfasilitasi eksperimen optik kuantum jarak jauh.

Dalam skenario berbasis satelit seperti itu, foton hanya mencakup 13 mil terakhir dari perjalanan mereka melalui atmosfer. Dengan demikian mereka dapat melakukan perjalanan lebih jauh (mengingat satelit tidak terlalu dekat dengan cakrawala).

Referensi:arXiv:1912.06678

Menurut para peneliti, jaringan satelit serupa (jika diterapkan dalam skala besar) akan menciptakan internet kuantum global yang lebih efisien. Untuk mengirim/menerima informasi dengan aman, dua stasiun berbasis darat harus berkomunikasi dengan satelit yang sama pada saat yang sama sehingga kedua stasiun menerima foton terjerat dari satelit.

Meminimalkan Sumber Daya 

Membangun dan meluncurkan satelit menghabiskan biaya jutaan dolar, itulah sebabnya penting untuk menjaga jumlah satelit serendah mungkin dalam jaringan tanpa mengurangi jangkauan.

Para peneliti memodelkan jaringan semacam itu dan menemukan bahwa ada beberapa pertukaran penting yang perlu dipertimbangkan. Misalnya, lebih sedikit satelit yang ditempatkan di ketinggian yang lebih tinggi dapat memberikan cakupan global, tetapi dapat mengakibatkan hilangnya foton yang lebih besar. Padahal, satelit di ketinggian yang lebih rendah hanya dapat menjangkau jarak yang lebih pendek antara stasiun berbasis darat.

Menurut tim peneliti, kompromi terbaik adalah jaringan sekitar 400 satelit yang terbang di ketinggian 1.900 mil. Sebagai gambaran, GPS memiliki 24 satelit yang beroperasi pada ketinggian 12.500 mil.

Namun, jarak maksimum antara dua stasiun berbasis darat akan tetap dibatasi hingga 4.700 mil. Ini berarti jaringan seperti itu dapat mendukung komunikasi yang aman antara New York dan London (berjarak 3.459 mil), tetapi tidak antara Houston dan London (terpisah 4.846 mil).

Terlepas dari kelemahan utama ini, internet kuantum berbasis ruang angkasa akan secara substansial mengungguli jaringan repeater kuantum berbasis darat (di mana satu repeater harus dipasang pada setiap 120 mil).

Baca: 18 Fakta Paling Menarik Tentang Komputer Quantum

Meskipun jaringan hibrida yang menghubungkan platform komunikasi kuantum berbasis ruang angkasa dengan repeater kuantum berbasis darat dapat mengubah visi ini menjadi kenyataan.