Kitajski satelit je razdelil pare "zapletenih fotonov" in jih poslal v ločene zemeljske postaje na razdalji 1.200 kilometrov, kar je podrlo prejšnji rekord razdalje za takšen podvig in odprlo nove možnosti kvantne komunikacije.
V kvantni fiziki se delci med seboj na določen način med seboj prepletajo. To v bistvu pomeni, da ostanejo povezani tudi, če so ločeni od velikih razdalj, tako da dejanje, izvedeno na eni, vpliva na drugo.
V novi raziskavi, objavljeni danes (15. junij) na spletu v reviji Science, raziskovalci poročajo o uspešni distribuciji zapletenih fotonskih parov na dve lokaciji na Zemlji, ločeni s 747,5 milj (1,203 km).
Znanstveniki so povedali, da ima kvantna zapletenost zanimive aplikacije za testiranje osnovnih zakonov fizike, pa tudi za ustvarjanje izjemno varnih komunikacijskih sistemov. To je zato, ker kvantna mehanika pravi, da merjenje kvantnega sistema neizogibno moti, zato je kakršen koli poskus prisluškovanja nemogoče skriti.
Vendar je težko razdeliti zapletene delce - običajno fotone - na velike razdalje. Med potovanjem po zraku ali preko optičnih kablov okolje posega v delce, zato na večjih razdaljah signal razpade in postane prešibak, da bi bil uporaben.
Leta 2003 je Pan Jianwei, profesor kvantne fizike na Univerzi za znanost in tehnologijo na Kitajskem, začel delati na satelitskem sistemu, ki je zasnovan tako, da snop zapletenih fotonskih parov spusti na zemeljske postaje. Zamisel je bila, da bi ta sistem, ker bi večina delcev potekala skozi vesoljski vakuum, bistveno manj posegal v okolje.
"Mnogi so takrat menili, da je to nora ideja, ker je bilo že zelo zahtevno, ko so že izvajali prefinjene eksperimente kvantne optike znotraj dobro zakritih optičnih miz," je Pan povedal za Live Science. "Kako torej lahko naredite podobne poskuse na lestvici oddaljenosti tisoč kilometrov in ko optični elementi vibrirajo in se gibljejo s hitrostjo 8 kilometrov na sekundo?"
V novi študiji so raziskovalci uporabili kitajski satelit Micius, ki so ga izstrelili lani, za prenos zapletenih parov fotonov. Satelit odlikuje ultra svetli izvorni fotonski vir in visoko natančen sistem za pridobivanje, kazanje in sledenje (APT), ki uporablja satelitske laserje na satelitu in na treh zemeljskih postajah za postavitev oddajnika in sprejemnikov.
Ko so fotoni dosegli zemeljske postaje, so znanstveniki izvedli preizkuse in potrdili, da so delci še vedno zapleteni, čeprav so prevozili med 994 milj in 1.490 milj (1.600 in 2.400 km), odvisno od tega, na kateri stopnji njene orbite je satelit nameščen.
Znanstveniki so dejali, da so le 10 kilometrov Zemljine atmosfere na najnižjih 6 miljah Zemljine atmosfere dovolj debele. To pomeni, da je bila skupna učinkovitost njihove povezave precej višja od prejšnjih metod za distribucijo zapletenih fotonov prek optičnih kablov, trdijo znanstveniki.
"Učinkovitost distribucije z dvema fotonoma smo že dosegli trilijonkrat bolj učinkovito kot z uporabo najboljših telekomunikacijskih vlaken," je dejal Pan. "Naredili smo nekaj, kar je bilo brez satelita popolnoma nemogoče."
Poleg izvajanja eksperimentov je ena od možnih uporab tovrstnega sistema tudi za "kvantno porazdelitev ključev", v kateri se sistemi kvantne komunikacije uporabljajo za deljenje šifrirnega ključa med dvema stranema, ki ga je nemogoče prestreči brez opozorila uporabnikov. Strokovnjaki so v kombinaciji s pravilnim algoritmom šifriranja nedosegljivi, tudi če šifrirana sporočila pošiljajo po običajnih komunikacijskih kanalih.
Artur Ekert, profesor kvantne fizike na univerzi v Oxfordu v Veliki Britaniji, je prvi opisal, kako lahko zapletene fotone uporabimo za prenos šifrirnega ključa.
"Kitajski eksperiment je izjemen tehnološki dosežek," je Ekert povedal Live Science. "Ko sem leta 1991, ko sem bil študent v Oxfordu, predlagal zapleteno distribucijo kvantnih ključev, nisem pričakoval, da bo povzdignjena na take višine!"
Po Panjevem mnenju trenutno satelit ni povsem pripravljen za uporabo v praktičnih sistemih za kvantno komunikacijo. Na primer, njegova relativno nizka orbita pomeni, da ima vsaka zemeljska postaja pokritje le približno 5 minut vsak dan, valovna dolžina uporabljenih fotonov pa pomeni, da lahko deluje le ponoči, je dejal.
Povečanje časov in območij pokritja bo pomenilo lansiranje novih satelitov z višjo orbito, vendar bo to zahtevalo večje teleskope, natančnejše sledenje in večjo učinkovitost povezave. Dnevno delovanje bo zahtevalo uporabo fotonov v valovnih dolžinah telekomunikacij, je dodal.
Čeprav bo za razvoj prihodnjih kvantnih komunikacijskih omrežij potrebno veliko dela, je Thomas Jennewein, izredni profesor na Inštitutu za kvantno računalništvo Univerze Waterloo v Kanadi, dejal, da je Panova skupina pokazala enega ključnih elementov.
"V tej vrsti raziskav delam od leta 2000 in raziskujem podobne izvedbe eksperimentov kvantnega zapleta iz vesolja, zato lahko zelo potrdim drznost, predanost in veščine, ki jih je pokazala ta kitajska skupina," je povedal za Live Science .
