Гипотетическое будущее космической связи
Как будет работать интернет в космосе
Недавно появилась публикация, демонстрирующая технологию прямой безопасной квантовой связи — Quantum Secure Direct Communication (QSDC), которая использует две запутанные пары фотонов и два элемента квантовой памяти для хранения квантового состояния для взаимодействия с ним, а также прямую визуальную линию связи для передачи половины из двух запутанных пар фотонов с другой стороны. Благодаря некоторым математическим и временным трюкам эта установка может передавать данные с помощью квантового запутывания.
Авторы этой работы показали основные элементы квантового протокола: генерирование запутывания, защиту канала, а также распределение, хранение и кодирование запутанных фотонов.
В ближайшее время планируется использовать QSDC на расстояниях 100 и более километров. Если испытание пройдет успешно, это станет важным шагом на пути к реализации спутниковых коммуникаций с использованием квантового протокола.
Пока мы далеки от полностью рабочей версии подобной связи, действующей на любых расстояниях. Вероятно, примерно лет через 10 у нас будет технология для запуска сетевой версии этого между Землей и Луной. По прошествии десятилетий, возможно, остальная солнечная система получит Интернет. Если бы каналы могли быть проложены таким образом, чтобы обеспечить двунаправленную связь, у нас была бы довольно быстрая и безопасная сеть связи.
Например, допустим, у нас есть зонд на основе воздушного шара на Венере и мы хотим ретранслировать видео высокого разрешения и другие данные измерений на Землю. Нам нужно иметь несколько различных релейных точек связи, чтобы послать сигнал с минимальным искажением, особенно когда Венера находится на другой стороне от Солнца по отношению к Земле. Поэтому у нас есть два варианта:
- Расположить ретрансляционные спутники на орбите нескольких планет, чтобы всегда была линия видимости между этими спутниками. В этом случае всегда будет различное время задержки сигнала связи, поскольку планеты постоянно перемещаются по отношению друг к другу. Иногда ретрансляция данных может занять очень много времени, но это будет лучше, чем при ситуации, когда мы можем отправлять или получать данные только в определенное время года.
- Создать распределенную сеть станций связи, которые будут находиться в космическом пространстве между планетными орбитами. Это потребует больше затрат и энергии, чтобы удерживать эти станции на своих местах, учитывая все постоянно меняющиеся гравитационные силы в солнечной системе. Тем не менее, это будет также означать более высокую пропускную способность связи, так как это модульное решение, наподобие антенных вышек на Земле, и можно добавлять дополнительные релейные блоки. Если это будет организовано как сеть из расположенных между планетными орбитами космических аппаратов связи, то можно будет обеспечить хорошую связь по всей Солнечной системе. Если сделать всё правильно, то время задержки сигнала будет изменяться меньше, чем от постоянно изменяющих свое положение спутников на орбитах вокруг планет, поскольку самый длинный путь будет состоять из нескольких статических переходов между станциями связи.
Полоса пропускания этих систем связи будет варьироваться в зависимости от помех (декогерентность отправленных фотонов, взаимодействующих с частицами в пространстве или атмосферой в случае планетарного спутника с ретрансляционными узлами на поверхности) и количества параллельных квантовых связей между двумя точками сети.
Разумеется, любой из этих вариантов потребует больших затрат и усилий. Но, можно пойти и дальше. Если представить, что было бы технически возможно хранить без декогеренции пары запутанных фотонов, разделенных огромным расстоянием в течение длительного промежутка времени, то можно было бы реализовать протокол, используя эти хранящиеся запутанные фотоны и сигнал по квантовой сети реле, чтобы инициировать связь в режиме реального времени.
Есть ли возможность связи в режиме реального времени между двумя точками, разделенными большим расстоянием, после отправки сигнала, ограниченного скоростью света и задержкой ретранслятора, чтобы инициировать протокол связи?
Представьте себе, что вы находитесь на Марсе и делаете презентацию (аудио и видео) на конференции на Землю в режиме реального времени. Все, что может потребоваться, это достаточное количество преднамеренно сохраненных отдельных запутанных пар фотонов в обоих местах и правильное время сигнала, чтобы инициировать протокол в подходящее время до презентации. Это означает, что мы будем иметь задержку сигнала, но это произойдет только до начала потока связи — как своего рода квантовая буферизация. Пока это предположение, но наука все равно покажет, насколько это возможно.
Наиболее оптимальная работа подобной сети будет в пределах солнечной системы. В самом эффективном проектировании этой сети передача сигнала по всей солнечной системе будет занимать около 8 часов. Поскольку необходимо будет разместить спутники связи и внутри и снаружи орбиты Земли, для прохождения сигнала через пояс астероидов , возможно, потребуется больше времени. Так как орбиты спутников за орбитой Юпитера становятся достаточно большими, топологии сети потребуется гораздо больше повторителей, чем во внутренней солнечной системе.
Связь с объектами за пределами Солнечной системы по-прежнему является очень трудоемкой и ресурсоемкой. Возьмем, к примеру, самые последние обнаруженные землеподобные планеты у звезды Тау Кита. Потребовалось бы очень много времени, чтобы наладить связь оттуда с солнечной системой. Даже после того, как, возможно, несколько столетий уйдет на создание сети связи, потребуется целых 12 лет, чтобы сообщение в одну сторону дошло до адресата.
Вывод:
Космическая связь, основанная на релейной сети из космических аппаратов связи, находящихся в определенных местах солнечной системы, при всей своей сложности реализации представляется более надежной, чем релейная сеть из станций, находящихся на орбитах планет, поскольку обеспечивает постоянное время задержки сигнала и не зависит от движения планет.
По материалам: The Hypothetical Future of Space Communications
