Przez lata panowało przekonanie, że fotonów niosących informacje kwantowe nie da się stabilnie wysyłać z Ziemi na satelitę. Najnowsze badanie zespołu z University of Technology Sydney (UTS) podważa ten dogmat: szczegółowe modelowanie pokazuje, że uplink działa — w realnych warunkach i bez magicznych założeń. Jeśli ta koncepcja przejdzie testy terenowe, otworzy drogę do większych i tańszych sieci kwantowych o zasięgu globalnym.
O co chodzi? Entanglement swapping na orbicie
Dzisiejsze eksperymenty kwantowe zwykle wysyłają splątane fotony z satelity na Ziemię. Kierunek „w dół” jest łatwiejszy: atmosfera miesza sygnał dopiero na końcu toru, a cel — teleskop na gruncie — jest duży i nieruchomy. Uplink odwraca układ: dwie stacje naziemne generują pojedyncze fotony, które muszą dotrzeć niemal jednocześnie do instrumentu na satelicie. Tam wykonywany jest pomiar typu Bell, który „wymienia” splątanie i łączy obie stacje w bezpieczny klucz. To jądro propozycji UTS.
Co nowego w tym modelu?
Autorzy uwzględnili prawdziwy świat: tło nieba, blask Księżyca, turbulencje atmosferyczne, drgania i nieidealną kolimację optyki oraz ruch satelity na orbicie ~500 km (~20 000 km/h). W tych warunkach uplink okazał się wykonalny, choć z istotnymi wymogami operacyjnymi: najlepiej w nocy i po precyzyjnej kalibracji torów optycznych. Kluczowe jest też to, że ciężka robota — generowanie ogromnych strumieni fotonów — dzieje się na Ziemi, gdzie mamy moc i chłodzenie; satelita potrzebuje tylko kompaktowego modułu do interferencji i raportowania wyników. To tnie koszty i masę ładunku.
Dlaczego to przełom dla „internetu kwantowego”?
Sieci kwantowe pozwalają tworzyć klucze, których podsłuch z definicji zdradza intruza. Dwukierunkowe łącza (downlink + uplink) dają elastyczność architekturze: satelita może dystrybuować splątanie pomiędzy wieloma węzłami, a stacje naziemne skalować produkcję fotonów bez ograniczeń energetycznych orbity. Krótkoterminowo możliwe są testy z wykorzystaniem dronów i balonów jako „mini-satelitów”, zanim sprzęt trafi masowo na LEO. Długoterminowo mówimy o gęstej, globalnej infrastrukturze z tanimi, wyspecjalizowanymi satelitami-przekaźnikami.
Granice i niewiadome (czytaj: plan działania)
Nie ma cudów: uplink cierpi na większe straty i wahania kanału niż downlink. Model sugeruje jednak wysoką wierność splątania przy właściwym oknie operacyjnym (noc, dobra pogoda, stabilne prowadzenie wiązki). Kolejne kroki to demonstracje terenowe oraz prace nad odpornością na „fading” atmosferyczny — np. przez różnorodność przestrzenną (wiele apertur) czy adaptacyjne optyki. Te kierunki badań już się pojawiają i wspierają wnioski UTS. Innymi słowy: to nie science-fiction, tylko inżynieria do odrobienia.
Co to zmienia dla bezpieczeństwa komunikacji?
Jeśli uplink wejdzie do praktyki, krytyczne państwowe i finansowe systemy łączności zyskają szyfrowanie z gwarancją fizyczną, a nie jedynie matematyczną. Dla operatorów oznacza to prostszą orbitalną infrastrukturę (mniej skomplikowany ładunek), krótszy czas wdrożenia i łatwiejsze aktualizacje po stronie naziemnej. Dla użytkownika końcowego — idealnie — nic: tak jak z elektrycznością, „kwant” ma działać w tle i nie wymagać doktoratu z fizyki.
Badania opublikowano w Physical Review Research .