Квантовые эксперименты в космическом масштабе
Имена | Квантовый космический спутник Мициус / Кино |
---|---|
Тип миссии | Демонстратор технологий |
Оператор | Китайская академия наук |
ИДЕНТИФИКАТОР КОСПЭРЭ | 2016-051А [1] |
САТКАТ нет. | 41731 ![]() |
Продолжительность миссии | 2 года (планируется) 7 лет, 11 месяцев, 18 дней (в разработке) |
Свойства космического корабля | |
Производитель | Китайская академия наук |
BOL mass | 631 кг (1391 фунт) |
Начало миссии | |
Дата запуска | 15 августа 2016 г., 17:40 UTC [2] |
Ракета | Длинный марш 2D |
Запуск сайта | Цзюцюань ЛА-4 |
Подрядчик | Шанхайская академия космических технологий |
Орбитальные параметры | |
Режим | Солнечно-синхронный |
Высота перигея | 488 км (303 миль) [2] |
Высота апогея | 584 км (363 миль) [2] |
Наклон | 97,4 градуса [2] |
Транспондеры | |
Группа | Ультрафиолетовый [3] |
Инструменты | |
Саньяка Интерферометр | |
Квантовые эксперименты в космическом масштабе ( QUESS ; китайский : 量子 科学 实验 卫星 ; пиньинь : Liàngzǐ kēxué shíyàn wèixīng ; букв. «Спутник для квантовых научных экспериментов») — китайский исследовательский проект в области квантовой физики. QUESS был запущен 15 августа 2016 года.
Проект состоит из спутника Мициус , или Моцзы ( по-китайски : 墨子 ), в честь древнего китайского философа, управляемого Китайской академией наук , а также наземных станций в Китае. и Венский университет Австрийская академия наук управляют европейскими приемными станциями спутника. [4] [5] Спутник провел эксперименты по распределению квантовых ключей между космосом и Землей ( китайский : 量子密钥分发 ), чему способствовал эксперимент по лазерной связи, проведенный на «Тяньгун-2» . модуле космической лаборатории [6] [7]
Проектирование и разработка
[ редактировать ]QUESS — это миссия для проверки концепции, предназначенная для облегчения экспериментов по квантовой оптике на больших расстояниях и позволяющая разработать технологии квантового шифрования и квантовой телепортации . [8] [9] [10] [11] [5] Квантовое шифрование использует принцип запутанности для облегчения связи, что позволяет абсолютно точно определить, перехватила ли третья сторона сообщение в пути, тем самым исключая возможность необнаруженного дешифрования . Создавая пары запутанных фотонов , QUESS позволит наземным станциям, разделенным многими тысячами километров, устанавливать безопасные квантовые каналы . [3] Сам QUESS имеет ограниченные коммуникационные возможности: ему нужна прямая видимость , и он может работать только при отсутствии солнечного света. [12]
К 2030 году планировалось создать новые спутники Micius, включая глобальную сеть. [12] [13]
Общая стоимость миссии составила около 100 миллионов долларов США. [2]
Миссия
[ редактировать ]Первоначальный эксперимент продемонстрировал распределение квантовых ключей (QKD) между Синьцзянской астрономической обсерваторией недалеко от Урумчи и обсерваторией Синлун недалеко от Пекина — расстояние по большому кругу примерно 2500 километров (1600 миль). [3] Кроме того, QUESS проверил неравенство Белла на расстоянии 1200 км (750 миль) – дальше, чем любой эксперимент на сегодняшний день – и телепортировал состояние фотона между обсерваторией Шицюаньхэ в Али , Тибетский автономный район , и спутником. [3] Это требует очень точного орбитального маневрирования и спутникового слежения, чтобы базовые станции могли оставаться на прямой видимости с кораблем. [3] [14] В 2021 году телепортация в полном квантовом состоянии была продемонстрирована на расстоянии более 1200 км (750 миль) на Земле на основе запутанности, распространяемой спутником. [15]
После завершения экспериментов в Китае компания QUESS создала международный канал QKD между Китаем и Институтом квантовой оптики и квантовой информации в Вене, Австрия — наземное расстояние 7500 км (4700 миль), что позволило осуществить первый межконтинентальный безопасный квантовый видеозвонок в 2016 году. [3] [4]
Запуск
[ редактировать ]Первоначально запуск был запланирован на июль 2016 года, но был перенесен на август, при этом уведомление о запуске было отправлено всего за несколько дней. [16] Космический корабль был запущен ракетой Long March 2D со Цзюцюань стартовой площадки 603, стартовая зона 4 , 17 августа 2016 года в 17:40 UTC (01:40 по местному времени). [2]
Миссия с несколькими полезными нагрузками
[ редактировать ]Запуск представлял собой миссию с несколькими полезными нагрузками, совместно используемую QUESS, исследовательским спутником LiXing-1 и испанским научным спутником ³Cat-2.
- LiXing-1: LiXing-1 — китайский спутник, предназначенный для измерения плотности верхних слоев атмосферы путем понижения орбиты до 100–150 км. Его масса 110 кг. 19 августа 2016 года спутник снова вошел в атмосферу, поэтому миссия закрыта.
- ³Cat-2: 3Cat-2 (пишется «куб-кошка-два») — второй спутник в серии 3Cat и второй спутник, разработанный в Каталонии в лаборатории NanoSat Политехнического университета Каталонии . Это 6-ю спутниковый спутник CubeSat с новой полезной нагрузкой GNSS- рефлектометр (GNSS-R) для наблюдения Земли. Его масса 7,1 кг.
Безопасное распространение ключей
[ редактировать ]Основным прибором на борту QUESS является с эффектом Саньяка интерферометр . [3] Это устройство, которое генерирует пары запутанных фотонов, позволяя по одному из каждого передаться на землю. Это позволит QUESS выполнить квантовое распределение ключей (QKD) – передачу безопасного криптографического ключа , который можно использовать для шифрования и дешифрования сообщений – на две наземные станции. QKD теоретически предлагает действительно безопасную связь. В QKD две стороны, желающие общаться, совместно используют случайный секретный ключ, передаваемый с использованием пар запутанных фотонов, отправленных со случайной поляризацией , причем каждая сторона получает половину пары. Этот секретный ключ затем можно использовать в качестве одноразового блокнота , позволяя двум сторонам безопасно общаться по обычным каналам. Любая попытка подслушать ключ заметно нарушит состояние запутанности. [13] ККД была предпринята на Земле как с прямой видимостью между двумя обсерваториями, так и с использованием оптоволоконных кабелей для передачи фотонов. Однако оптоволокно и атмосфера вызывают рассеяние, которое разрушает запутанное состояние, и это ограничивает расстояние, на котором может быть проведена КРК. Отправка ключей с орбитального спутника приводит к меньшему рассеянию, что позволяет выполнять QKD на гораздо больших расстояниях. [3]
Кроме того, QUESS может проверить некоторые базовые основы квантовой механики . Теорема Белла гласит, что никакая локальная теория скрытых переменных никогда не сможет воспроизвести предсказания квантовой физики, и QUESS смог проверить принцип локальности на расстоянии более 1200 км (750 миль). [9] [3]
Эксперимент по квантовому распределению ключей был удостоен Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) премии Ньюкомба Кливленда в 2018 году за вклад в закладку основы сверхзащищенных сетей связи будущего. [17]
Анализ
[ редактировать ]Ведущий научный сотрудник QUESS Пан Цзяньвэй сообщил агентству Reuters , что проект имеет «огромные перспективы» в оборонной сфере. [18] Спутник обеспечит безопасную связь между Пекином и Урумчи, столицей Синьцзяна , отдаленного западного региона Китая. [18] Министерство обороны США полагает, что Китай стремится достичь способности противостоять использованию вражеских космических технологий. [18] Коммунистической партии Китая Генеральный секретарь Си Цзиньпин отдал приоритет космической программе Китая, которая включала испытания противоспутниковых ракет , а New York Times отметила, что квантовые технологии были в центре внимания тринадцатой пятилетки , которую правительство Китая изложило ранее год. [19] The Wall Street Journal сообщила, что запуск поставил Китай впереди конкурентов и приблизил их к «защищенным от взлома коммуникациям». [20] Несколько СМИ назвали утечку Эдвардом Сноуденом документов наблюдения США толчком к развитию QUESS, а Popular Science назвала его «спутником постсноуденовской эпохи». [14] [21] [22]
Похожие проекты
[ редактировать ]QUESS — первый запущенный космический корабль, способный генерировать запутанные фотоны в космосе. [5] хотя передача одиночных фотонов через спутники ранее была продемонстрирована путем отражения фотонов, генерируемых наземными станциями за пределами орбитальных спутников. [23] Хотя полностью запутанные фотоны и не генерируются, коррелированные пары фотонов были созданы в космосе с помощью куб-спутника Национального университета Сингапура и Университета Стратклайда . [23] Немецкий консорциум выполнил квантовые измерения оптических сигналов с геостационарного Alphasat лазерного терминала связи . [24] В 2012 году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) запустило проект макроскопической квантовой связи Quiness, призванный стимулировать развитие сквозного глобального квантового Интернета.
В 2024 году ЕКА намерено запустить спутник распределения квантовых ключей Eagle-1 с целью, аналогичной цели китайского QUESS. Это будет частью разработки и развертывания Европейской инфраструктуры квантовой связи (EuroQCI). [25]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «QSS (Мози)» . space.skyrocket.de . Космическая страница Гюнтера . Проверено 17 августа 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж «QUESS стартовал с космодрома в пустыне Гоби» . Новости космического полета . 17 августа 2016 года. Архивировано из оригинала 17 июня 2017 года . Проверено 17 августа 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Линь Син (16 августа 2016 г.). «Китай запустил первый в мире спутник квантовой науки» . Мир физики . Институт физики . Проверено 22 ноября 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Первый квантовый спутник успешно запущен» . Австрийская академия наук . 16 августа 2016 г. Архивировано из оригинала 18 марта 2018 г. . Проверено 17 августа 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Уолл, Майк (16 августа 2016 г.). «Китай запускает новаторский «защищенный от взлома» спутник квантовой связи» . Space.com . Покупка . Проверено 17 августа 2016 г.
- ^ «Тяньгун2» . chinaspacereport.com . Китайский космический доклад. 28 апреля 2017 г. Архивировано из оригинала 17 мая 2018 г. . Проверено 12 ноября 2017 г.
- ^ Хуася (16 сентября 2016 г.). «Тяньгун-2 сделает Китай на шаг ближе к космической станции» . китайский космический отчет. Архивировано из оригинала 17 мая 2018 года . Проверено 12 ноября 2017 г. .
- ^ Жэнь, Цзи-Ган; Юн, Хай-Лин; Ляо, Шэн-Кай; Лю, Вэй-Юэ; Цай, Вэнь-Ци, Ли; на Земли » Куй августа 2017 г.) « Син ( - спутник Ян , Квантовая с 9 телепортация . 10.1038 nature23675 ISSN 1476-4687 . PMID 28825708 /
- ^ Перейти обратно: а б Хуан Инь Цао; Шэн-Кай Ляо; Лян Цзи-Цай; Вэй-Юэ Лю; Хуэй Дай; Юнь-Хун Ли; Фэн-Чжи Ли; Цзы-Цин Цзя; Цзянь-Цзюнь Цзя; И-Линь Чжоу; Чжан На Ван; Чжэнь-Цай Чжу; Юй-Ао Чэнь; Чэн-Чжи Пэн; Цзянь-Вэй Пэн (2017). Распределение запутанности по данным спутников на расстоянии более 1200 километров». Quantum Optics . 356 (6343): 1140–1144. : 1707.01339 . doi : 10.1126 /science.aan3211 . PMID 28619937. arXiv S2CID 5206894 .
- ^ Биллингс, Ли (23 апреля 2020 г.). «Китай побил рекорд «жутких действий на расстоянии», готовясь к квантовому Интернету» . Научный американец .
- ^ Попкин, Габриэль (15 июня 2017 г.). «Китайский квантовый спутник совершает «жуткие действия» на рекордном расстоянии» . Наука - АААС .
- ^ Перейти обратно: а б Хуася (16 августа 2016 г.). «Китайский фокус: космические спутники Китая совершают квантовый скачок» . Синьхуа. Архивировано из оригинала 17 августа 2016 года . Проверено 17 августа 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б Джеффри Лин; П.В. Сингер; Джон Костелло (3 марта 2016 г.). «Китайский квантовый спутник может навсегда изменить криптографию» . Популярная наука . Проверено 17 августа 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Запуск Китаем квантового спутника — важный шаг в космической гонке» . Ассошиэйтед Пресс. 16 августа 2016 года. Архивировано из оригинала 27 октября 2016 года . Проверено 17 августа 2016 г.
- ^ Ли, Бо, Юань; Ли, Юй-Хуай; Лю, Вэй-Юэ; Ли, Ли, Най-Ле (26 апреля 2022 г.). на расстояние более 1200 км . состояния квантового « Перенос распределенной запутанности » предварительной помощью с 10.1103 PhysRevLett.128.170501 ISSN 0031-9007 PMID 35570417 . S2CID 248812124 /
- ^ Томаш Новаковски (16 августа 2016 г.). «Китай запустил в космос первый в мире спутник квантовой связи» . Космический полет Инсайдер . Проверено 17 августа 2016 г.
- ^ Д. Коэн, Адам (31 января 2019 г.). «Прогресс в области квантовой запутанности удостоен премии AAAS Newcomb Cleveland 2018» . Американская ассоциация содействия развитию науки .
- ^ Перейти обратно: а б с «Китай запускает защищенный от взлома спутник связи» . Рейтер . 16 августа 2016 г. Проверено 18 августа 2016 г.
- ^ Эдвард Вонг (16 августа 2016 г.). «Китай запускает квантовый спутник, стремясь стать пионером в области безопасных коммуникаций» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 19 августа 2016 г.
- ^ Джош Чин (16 августа 2016 г.). «Последний скачок Китая вперед не просто велик — он квантовый» . Уолл Стрит Джорнал . Проверено 19 августа 2016 г.
- ^ Джеффри Лин; PW Сингер (17 августа 2016 г.). «Китай запустил квантовый спутник в поисках средств связи, которые невозможно взломать» . Проверено 19 августа 2016 г.
- ^ Люси Хорнби, Клайв Куксон (16 августа 2016 г.). «Китай запустил квантовый спутник для борьбы с хакерами» . Проверено 19 августа 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б Элизабет Гибни (27 июля 2016 г.). «Китайский спутник — это гигантский шаг на пути к квантовому интернету» . Природа . 535 (7613): 478–479. Бибкод : 2016Natur.535..478G . дои : 10.1038/535478a . ПМИД 27466107 .
- ^ Гентнер, Кевин; Хан, Имран; Эльзер, Доминик; Стиллер, Биргит; Байрактар, Омер; Мюллер, Кристиан Р.; Сауке, Карен; Трендле, Даниэль; Хейне, Франк; Зил, Стефан; Грейлих, Питер; Зех, Хервиг; Дружно, Бьёрн; Филипп Мэй, Сабина; Марквардт, Кристоф; Лойхс, Герд (2017). «Квантовые измерения оптических сигналов с геостационарного спутника». Оптика . 4 (6): 611–616. arXiv : 1608.03511 . Бибкод : 2017Оптика...4..611G . дои : 10.1364/OPTICA.4.000611 . S2CID 15100033 .
- ^ «Квантовое шифрование для повышения европейской автономии» . ЕКА . 22 сентября 2022 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Запуск QUESS. Архивировано 6 ноября 2017 г. на Wayback Machine (китайский язык).
- Веб-сайт спутника 3Cat-2 в Политехническом университете Каталонии