Chiński satelita podzielił pary „splątanych fotonów” i przesłał je do oddzielnych stacji naziemnych oddalonych od siebie o 745 mil (1200 kilometrów), bijąc poprzedni rekord odległości dla takiego wyczynu i otwierając nowe możliwości w komunikacji kwantowej.
W fizyce kwantowej cząstki, które oddziałują na siebie w określony sposób, stają się „splątane”. Zasadniczo oznacza to, że pozostają one połączone, nawet gdy są rozdzielone dużymi odległościami, tak że akcja wykonana na jednym z nich wpływa na drugi.
W nowym badaniu opublikowanym dzisiaj (15 czerwca) w czasopiśmie Science naukowcy opisali udaną dystrybucję splątanych par fotonów w dwóch lokalizacjach na Ziemi oddzielonych 747,5 mil (12003 km).
Naukowcy twierdzą, że splątanie kwantowe ma interesujące zastosowania do testowania podstawowych praw fizyki, ale także do tworzenia wyjątkowo bezpiecznych systemów komunikacji. Jest tak, ponieważ mechanika kwantowa stwierdza, że pomiar układu kwantowego nieuchronnie go zaburza, więc nie można ukryć żadnej próby podsłuchu.
Trudno jednak rozłożyć splątane cząstki - zwykle fotony - na duże odległości. Podczas podróży powietrzem lub kablami światłowodowymi środowisko przeszkadza cząsteczkom, więc przy większych odległościach sygnał zanika i staje się zbyt słaby, aby był użyteczny.
W 2003 roku Pan Jianwei, profesor fizyki kwantowej na University of Science and Technology of China, rozpoczął prace nad systemem satelitarnym zaprojektowanym do przesyłania splątanych par fotonów do stacji naziemnych. Pomysł polegał na tym, że ponieważ większość podróży cząsteczki odbywałaby się w próżni kosmicznej, system ten wprowadziłby znacznie mniej zakłóceń środowiskowych.
„Wiele osób uważało to za szalony pomysł, ponieważ wykonywanie skomplikowanych eksperymentów kwantowo-optycznych w dobrze osłoniętym stole optycznym było bardzo trudne”, powiedział Pan Live Live. „Więc jak możesz przeprowadzić podobne eksperymenty w skali odległości tysiąca kilometrów, a elementy optyczne wibrują i poruszają się z prędkością 8 kilometrów na sekundę?”
W nowym badaniu naukowcy wykorzystali chińskiego satelitę Micius, który został wystrzelony w zeszłym roku, do przesyłania splątanych par fotonów. Satelita jest wyposażony w ultra jasne źródło splątanego źródła fotonów oraz precyzyjny system akwizycji, wskazywania i śledzenia (APT), który wykorzystuje lasery nawigacyjne na satelicie i na trzech stacjach naziemnych w celu wyrównania nadajnika i odbiorników.
Gdy fotony dotarły do stacji naziemnych, naukowcy przeprowadzili testy i potwierdzili, że cząstki wciąż się zaplątują, mimo że przebyły od 994 mil do 1490 mil (1600 i 2400 km), w zależności od tego, na jakim etapie orbity satelita został ustawiony.
Naukowcy stwierdzili, że tylko najniższe 6 mil (10 km) ziemskiej atmosfery jest wystarczająco grube, aby spowodować znaczącą interferencję z fotonami. Według naukowców ogólna wydajność ich łącza była znacznie wyższa niż poprzednie metody dystrybucji splątanych fotonów za pomocą kabli światłowodowych.
„Osiągnęliśmy już efektywność dystrybucji splątania dwufotonowego trylion razy bardziej wydajną niż przy użyciu najlepszych włókien telekomunikacyjnych” - powiedział Pan. „Zrobiliśmy coś, co było absolutnie niemożliwe bez satelity”.
Oprócz przeprowadzania eksperymentów, jednym z potencjalnych zastosowań tego rodzaju systemu jest „dystrybucja klucza kwantowego”, w której systemy komunikacji kwantowej są wykorzystywane do współdzielenia klucza szyfrowania między dwiema stronami, którego nie można przechwycić bez powiadamiania użytkowników. Eksperci stwierdzili, że w połączeniu z prawidłowym algorytmem szyfrowania ten system jest niewykrywalny, nawet jeśli zaszyfrowane wiadomości są przesyłane zwykłymi kanałami komunikacyjnymi.
Artur Ekert, profesor fizyki kwantowej na Uniwersytecie Oksfordzkim w Wielkiej Brytanii, jako pierwszy opisał, w jaki sposób splątane fotony można wykorzystać do przesłania klucza szyfrującego.
„Chiński eksperyment jest dość niezwykłym osiągnięciem technologicznym”, powiedział Ekert dla Live Science. „Kiedy zaproponowałem dystrybucję klucza kwantowego opartą na splątaniu w 1991 roku, kiedy byłem studentem w Oksfordzie, nie spodziewałem się, że zostanie on podniesiony do takich wysokości!”
Obecny satelita nie jest jednak jeszcze gotowy do użycia w praktycznych systemach komunikacji kwantowej. Po pierwsze, jego stosunkowo niska orbita oznacza, że każda stacja naziemna ma zasięg tylko przez około 5 minut każdego dnia, a długość fali użytych fotonów oznacza, że może ona działać tylko w nocy, powiedział.
Pan powiedział, że zwiększenie czasu i zasięgu zasięgu będzie oznaczać wystrzelenie nowych satelitów z wyższymi orbitami, ale będzie to wymagało większych teleskopów, dokładniejszego śledzenia i wyższej wydajności łącza. Dodał, że praca w ciągu dnia będzie wymagała użycia fotonów w długościach fal telekomunikacyjnych.
Ale choć opracowanie przyszłych kwantowych sieci komunikacyjnych będzie wymagało znacznej pracy, Thomas Jennewein, profesor nadzwyczajny w Institute of Quantum Computing w Kanadzie na Uniwersytecie Waterloo, powiedział, że grupa Pan wykazała jeden z kluczowych elementów składowych.
„Pracowałem w tej linii badawczej od 2000 roku i badałem podobne wdrożenia eksperymentów kwantowego splątania z kosmosu, dlatego mogę bardzo dużo potwierdzić śmiałość, poświęcenie i umiejętności, które wykazała ta chińska grupa” - powiedział Live Science. .
