Новая оптика и фотоника

Стюарт Уиллс

Исследовательская группа из Университета Калгари (Канада) и Университета Центральной Флориды (США) смоделировала, как близко расположенные космические корабли на низкой околоземной орбите, оснащенные зеркалами для ретрансляции сигналов с низкими потерями, могут служить орбитальными «спутниковыми линзами» для наблюдения. создать глобальные сети квантовой связи. [Изображение: любезно предоставлено С. Госвами]

Исследователи и представители промышленности все чаще рассматривают перспективу создания глобальных коммуникационных сетей, которые могли бы воспользоваться преимуществами безопасности, обеспечиваемыми квантовыми технологиями. Однако камнем преткновения стало отсутствие масштабируемых «квантовых повторителей», аналогичных тем, которые поддерживают оптические сигналы в классических оптоволоконных сетях дальней связи.

В качестве альтернативы некоторые исследовательские группы рассматривают спутниковую квантовую связь, в которой квантовая информация будет передаваться по лазерным лучам между космическими кораблями на низкой околоземной орбите (НОО). Однако даже у спутниковых схем есть свои подводные камни. Потеря фотонов в дифрагирующих лазерных лучах, а также кривизна самой Земли, вероятно, ограничит реалистичные расстояния высокоэффективных квантовых связей между спутниками LEO до менее 2000 км.

Теперь исследователи Сумит Госвами из Университета Калгари, Канада, и Саяндип Дхара из Университета Центральной Флориды, США, выдвинули предложение, показывающее, как можно преодолеть эти ловушки (Phys. Rev. Appl., doi: 10.1103/PhysRevApplied .20.024048). Их предложение предполагает передачу деликатных квантовых сигналов через цепочку относительно близко расположенных, синхронно движущихся спутников. Эти спутники, как предполагает пара, могли бы эффективно действовать «как набор линз на оптическом столе», фокусируя и изгибая лучи вдоль кривизны Земли и предотвращая потерю фотонов на расстояниях до 20 000 км – без необходимости использования квантовых повторителей.

Хотя Госвами и Дхара метафорически называют узлы предложенной ими общеспутниковой квантовой сети (ASQN) спутниковыми линзами, на самом деле оптическая магия происходит с помощью зеркал, позволяющих свести потери фотонов, связанные с поглощением, к абсолютному минимуму. Проще говоря, один спутник в цепочке посылает луч света следующему спутнику, находящемуся, возможно, на расстоянии 120 км. Следующий спутник захватывает и перефокусирует луч с помощью приемного зеркала и отражает его от двух меньших зеркал к последнему передающему зеркалу, которое передает сигнал следующему спутнику в цепочке.

По их предложению, говорят исследователи, близко расположенные спутники эффективно действуют «как набор линз на оптическом столе», фокусируя и изгибая лучи вдоль кривизны Земли и предотвращая потерю фотонов из-за дифракции.

В своем моделировании Госвами и Дхара рассматривали цепочку спутников, каждый из которых отделен от другого на 120 км; учитывая ожидаемую расходимость луча на околоземной орбите, это предполагает диаметр телескопа 60 см для каждого спутника. Моделирование команды предполагает, что такая релейная установка, в которой квантовый сигнал передается от спутника к спутнику путем отражения, практически устранит дифракционные потери на расстояниях в 20 000 км.

Устранив дифракционные потери, Госвами и Дхара методично рассмотрели другие потенциальные источники потерь в системе спутниковых линз. Одной из очевидных проблем является потеря некоторых фотонов при отражении на самих зеркалах, которую, по мнению пары, можно было бы контролировать за счет конфигурации, сочетающей большие металлические зеркала и маленькие брэгговские зеркала со сверхвысокой отражающей способностью. Другой источник потерь заключается в ошибках отслеживания и позиционирования спутников в цепочке; такие сбои необходимо будет свести к минимуму, чтобы спутники оставались синхронизированными друг с другом.

Конечный источник потерь не имеет ничего общего со спутниками. В зависимости от архитектуры квантовой связи, квантовая информация должна передаваться со станций на поверхности Земли и на нее. Для оптических сигналов в свободном пространстве это открывает перспективу потери данных из-за атмосферной турбулентности, что может резко увеличить размер и распространение луча.