Спутник Eagle-1 станет первой космической системой распределения квантовых ключей, которая будет разработана в рамках партнерства ЕКА, Европейской комиссии и космических компаний в Европе. Спутник проложит путь к сверхзащищенной сети, использующей квантовое распределение ключей (которая использует нерушимые законы физики для распределения ключей шифрования таким образом, что любая попытка подслушивания будет немедленно обнаружена) для обеспечения безопасности информации, что значительно повысит европейский уровень безопасности. автономия в области кибербезопасности и связи. Фото: Европейское космическое агентство.
Европа – и мир – находятся в середине «квантового десятилетия»: периода, в котором особые свойства материи, проявляющиеся в мельчайших масштабах, превращаются из простой научной диковинки в основу практических технологий и продуктов. Результат? Крупный скачок вперед в области связи, навигации, вычислений и измерения окружающей среды.
То же самое справедливо и в космосе: ЕКА в настоящее время отправляет квантовый зонд к Юпитеру, разрабатывает средства связи на основе квантовых технологий и планирует отправить квантовые часы на Международную космическую станцию в рамках своей сквозной инициативы в области квантовых технологий.
Квантовый датчик направился к Юпитеру
Датчик MAGSCA, являющийся частью магнитометра космического корабля ЕКА Juice, запущенного к самой большой планете нашей Солнечной системы в апреле, использует явление квантовой интерференции для выполнения абсолютных измерений напряженности магнитного поля, обеспечивая калибровку для более крупной пары обычных «феррозондовых устройств». магнитометры. MAGSCA показала хорошие результаты во время ввода в эксплуатацию в космосе и была построена для ЕКА Австрийской академией наук в партнерстве с Технологическим университетом Граца.
Тем временем оборудование, основанное на «квантовой запутанности», было протестировано ранее в этом году на борту параболического полета ЕКА в «невесомости», продемонстрировав его устойчивость к гравитационным изменениям.
Квантовая деятельность ЕКА теперь контролируется его новой сквозной инициативой в области квантовых технологий, которая координирует все исследования и разработки в области квантовых технологий, проводимые в Агентстве.
Квантовое видение будущего ЕКА
«Квантовые технологии были определены в качестве стратегического приоритета в Повестке дня до 2025 года генерального директора ЕКА Йозефа Ашбахера, которая рассматривается как предлагающая новые пути к коммерческому успеху и техническому лидерству, и мы реализуем это видение», — объясняет инженер оптоэлектронных систем ЕКА Эрик Вилле.
«В той или иной форме ЕКА работает над квантовыми технологиями на протяжении последней четверти века, постоянно повышая общий уровень готовности и добившись на этом пути некоторых крупных успехов, включая участие в тогдашнем мировом рекорде в области квантовых коммуникаций.
«Эти совокупные усилия помогли нам расширить спектр нашей деятельности и наладить связи с сообществом квантовых исследователей, в последний раз благодаря последней конференции ЕКА по квантовым технологиям в сентябре. Подводя итог: ЕКА действительно открыто для бизнеса в этой области, и если у вас есть идеи для исследований, мы хотим услышать ваше мнение!»
Странная наука об очень маленьком
Квантовая физика, которую часто называют самой успешной теорией прошлого столетия, лежит в основе работы повседневных предметов, таких как кремниевые чипы, лазеры и машины медицинской визуализации. В основе этой теории лежит, казалось бы, нелогичный факт, что на чрезвычайно малых масштабах атомы, фотоны и другие частицы начинают вести себя как волны.
Это, в свою очередь, приводит к таким явлениям, как «квантовая суперпозиция», когда частица может существовать более чем в одном возможном состоянии одновременно, и «квантовая запутанность», когда несколько частиц продолжают иметь одинаковые физические характеристики, даже если они разделены большими расстояниями.
Квантовые технологии призваны использовать такое экзотическое поведение в качестве основы для более мощных вычислений, сверхточного измерения времени, безопасного обмена информацией и высокочувствительных датчиков, одновременно борясь с проблемой, заключающейся в том, что квантовые состояния легко нарушаются и склонны к коллапсу.
Квантовая связь из космоса
Среди наиболее развитых приложений — безопасная связь, основанная на «квантовом распределении ключей». Текущий безопасный обмен данными основан на совместном использовании «криптографических ключей» между отправителем и получателем. Сегодня такие ключи обычно передаются по классическим каналам связи с использованием математических алгоритмов или курьеров-людей.
В качестве альтернативы разрабатывается квантовое распределение ключей, где безопасность обмена ключами основана на квантово-физических свойствах легких частиц. Использование лазерных линий связи на спутниках позволяет преодолевать гораздо большие расстояния по сравнению с оптическими волокнами, где квантовые сигналы нарушаются быстрее.
ЕКА сотрудничает с Европейской комиссией в разработке распределения квантовых ключей для правительственных приложений, а также посредством поддержки отраслевых партнерств, таких как миссия Eagle-1 с производителем спутников SES, — разрабатывая технологии, ранее поддерживаемые в рамках программы ScyLight ЕКА.
Извлеченные уроки послужат основой для разработки и развертывания европейской инфраструктуры квантовой связи, которая является частью европейской программы безопасного подключения.
Уже более четверти века наземная оптическая станция ЕКА поддерживает эксперименты по оптической и квантовой связи на склонах вулкана Тейде на Тенерифе. Тестирование квантовых связей в атмосфере островов – или вплоть до орбитальных спутников – уже предоставило огромное количество информации.
Извлеченные уроки послужат основой для разработки и развертывания европейской инфраструктуры квантовой связи, которая является частью программы безопасного подключения ЕС.
Квантовое зондирование
Квантовые состояния, такие как «холодные атомы», движение которых систематически замедляется с помощью лазеров, часто оказываются чрезвычайно чувствительными к окружающей среде, поэтому их можно использовать для картирования гравитации или ускорения, а также для отслеживания особенностей Земли, включая океан и лед. течет.
Такие точные исследования также станут шагом вперед в моделировании климата, углубив научное понимание таких явлений, как круговорот земных вод, баланс массы ледниковых щитов и ледников и изменение уровня моря.
Квантовые часы и стандарты частоты
Подобные системы холодных атомов с лазерным замедлением могут служить основой высокоточных часов для позиционирования, навигации и времени, предлагая на порядки улучшения атомных часов, используемых сегодня в спутниковых навигационных системах. Они также важны для фундаментальных физических экспериментов.
Ансамбль атомных часов ЕКА в космической полезной нагрузке станет самыми точными часами, когда-либо летавшими на орбите, когда они будут доставлены на борт Международной космической станции в 2025 году.
Квантовые вычисления
Квантовые компьютеры вряд ли будут запущены в космос в ближайшем будущем, но, используя суперпозицию, они обещают значительно повысить вычислительную мощность для решения конкретных задач поиска или оптимизации.
Этот метод может быть применен для решения «сложных проблем», связанных с космосом, таких как оптимизация очень сложных операций мега-созвездия, высокоточное моделирование взаимодействия ракеты с атмосферой или обработка данных наблюдения Земли для более эффективного использования больших объемов информации.
Точное машиностроение
Другие области, такие как квантовая память, квантовая визуализация, генерация случайных чисел и постквантовая криптография, также являются частью более чем 40 проектов, запланированных в рамках сквозной инициативы ЕКА по квантовым технологиям на ближайшие годы.
Высокое качество и точность проектирования являются важным элементом успеха; для управления системами на уровне атомов или фотонов требуются сложные оптические нагрузки. Таким образом, существующая лаборатория оптики и оптоэлектроники ЕКА также переезжает и расширяется в новом здании технического центра ESTEC в Нидерландах, чтобы расширить объем поддержки, которую ЕКА может предложить исследователям и промышленности.
Информация от: Европейским космическим агентством
