Ένας Κινέζος δορυφόρος έχει χωρίσει ζεύγη "εμπλεγμένων φωτονίων" και τα μεταδίδει σε ξεχωριστούς σταθμούς εδάφους 745 μίλια (1,200 χιλιόμετρα) από την άλλη, σπάζοντας την προηγούμενη απόσταση για ένα τέτοιο κατόρθωμα και ανοίγοντας νέες δυνατότητες στην κβαντική επικοινωνία.
Στη κβαντική φυσική, όταν τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με ορισμένους τρόπους, γίνονται "εμπλεγμένοι". Αυτό ουσιαστικά σημαίνει ότι παραμένουν συνδεδεμένοι ακόμη και όταν χωρίζονται από μεγάλες αποστάσεις, έτσι ώστε μια δράση που εκτελείται σε μία να επηρεάζει την άλλη.
Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε σήμερα (15 Ιουνίου) στο περιοδικό Science, οι ερευνητές αναφέρουν την επιτυχή κατανομή των ζευγαρωμένων ζευγών φωτονίων σε δύο θέσεις στη Γη χωρισμένες σε απόσταση 1.203 χιλιομέτρων.
Η κβαντική εμπλοκή έχει ενδιαφέρουσες εφαρμογές για τη δοκιμή των θεμελιωδών νόμων της φυσικής, αλλά και για τη δημιουργία εξαιρετικά ασφαλών συστημάτων επικοινωνίας, λένε οι επιστήμονες. Αυτό συμβαίνει επειδή η κβαντική μηχανική δηλώνει ότι η μέτρηση ενός κβαντικού συστήματος αναπόφευκτα το διαταράσσει, οπότε κάθε απόπειρα υποκλοπής είναι αδύνατο να κρυφτεί.
Αλλά, είναι δύσκολο να διανέμετε τα μπλεγμένα σωματίδια - συνήθως φωτόνια - σε μεγάλες αποστάσεις. Όταν ταξιδεύετε με αέρα ή μέσω καλωδίων οπτικών ινών, το περιβάλλον παρεμβαίνει με τα σωματίδια, έτσι με μεγαλύτερες αποστάσεις, το σήμα διασπάται και καθίσταται πολύ αδύναμο για να είναι χρήσιμο.
Το 2003, ο Παν Jianwei, καθηγητής της κβαντικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, άρχισε να εργάζεται σε ένα δορυφορικό σύστημα σχεδιασμένο να δεσμεύει τα ζεύγη φωτονίων που εμπλέκονται στους σταθμούς εδάφους. Η ιδέα ήταν ότι επειδή το μεγαλύτερο μέρος του ταξιδιού του σωματιδίου θα ήταν μέσα από το κενό του χώρου, το σύστημα αυτό θα εισήγαγε σημαντικά λιγότερη περιβαλλοντική παρέμβαση.
"Πολλοί άνθρωποι σκέφτηκαν τότε μια τρελή ιδέα, γιατί ήταν πολύ δύσκολο να κάνεις ήδη τα εξελιγμένα πειράματα κβαντικής-οπτικής μέσα σε ένα καλά θωρακισμένο οπτικό τραπέζι", είπε ο Pan για τη Live Science. "Πώς μπορείτε να κάνετε παρόμοια πειράματα σε χιλιομετρική κλίμακα και με τα οπτικά στοιχεία να δονίζουν και να κινούνται με ταχύτητα 8 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο;"
Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το δορυφόρο Micius της Κίνας, το οποίο ξεκίνησε πέρυσι, για να μεταδώσει τα ζευγμένα ζεύγη φωτονίων. Ο δορυφόρος διαθέτει μια υπερβολικά μπλεγμένη πηγή φωτονίων και ένα σύστημα υψηλής ακρίβειας για την απόκτηση, την τοποθέτηση και την παρακολούθηση (APT) που χρησιμοποιεί λέιζερ beacon στο δορυφόρο και σε τρεις σταθμούς εδάφους για να ευθυγραμμίσει τον πομπό και τους δέκτες.
Μόλις τα φωτόνια έφθασαν στους σταθμούς εδάφους, οι επιστήμονες διενήργησαν δοκιμές και επιβεβαίωσαν ότι τα σωματίδια εξακολουθούσαν να εμπλέκονται, παρά το γεγονός ότι είχαν ταξιδέψει μεταξύ των 1.600 και 2.400 χλμ., Ανάλογα με το στάδιο της τροχιάς του στον οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος.
Μόνο τα χαμηλότερα 6 χιλιόμετρα (10 χλμ.) Της ατμόσφαιρας της Γης είναι αρκετά πυκνά ώστε να προκαλέσουν σημαντική παρεμβολή στα φωτόνια, σύμφωνα με τους επιστήμονες. Αυτό σημαίνει ότι η συνολική αποτελεσματικότητα του συνδέσμου τους ήταν πολύ υψηλότερη από τις προηγούμενες μεθόδους για τη διανομή εμπλεγμένων φωτονίων μέσω καλωδίων οπτικών ινών, σύμφωνα με τους επιστήμονες.
"Έχουμε ήδη επιτύχει μια αποδοτικότητα διανομής δύο φωτονίων που είναι πολύ πιο αποτελεσματική από τη χρήση των καλύτερων ινών τηλεπικοινωνιών", δήλωσε ο Pan. "Κάναμε κάτι που ήταν απολύτως αδύνατο χωρίς τον δορυφόρο".
Εκτός από τη διεξαγωγή πειραμάτων, μία από τις πιθανές χρήσεις για αυτό το είδος συστήματος είναι η "κατανομή κβαντικών κλειδιών", στην οποία χρησιμοποιούνται κβαντικά συστήματα επικοινωνίας για να μοιραστούν ένα κλειδί κρυπτογράφησης μεταξύ δύο μερών, το οποίο είναι αδύνατο να παραληφθεί χωρίς να ειδοποιηθούν οι χρήστες. Όταν συνδυάζεται με τον σωστό αλγόριθμο κρυπτογράφησης, αυτό το σύστημα δεν μπορεί να ανιχνευθεί ακόμη και αν τα κρυπτογραφημένα μηνύματα αποστέλλονται μέσω κανονικών καναλιών επικοινωνίας, ανέφεραν οι ειδικοί.
Ο Artur Ekert, καθηγητής κβαντικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο, ήταν ο πρώτος που περιγράφει πώς τα μπλεγμένα φωτόνια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση ενός κλειδιού κρυπτογράφησης.
"Το κινεζικό πείραμα είναι ένα αξιοσημείωτο τεχνολογικό επίτευγμα", δήλωσε ο Ekert στην Live Science. "Όταν πρότεινα την κατακερματισμένη διανομή κβαντικού κλειδιού το 1991, όταν ήμουν φοιτήτρια στην Οξφόρδη, δεν περίμενα να αυξηθεί σε τέτοια ύψη!"
Ο σημερινός δορυφόρος δεν είναι έτοιμος για χρήση σε πρακτικά συστήματα κβαντικής επικοινωνίας, ωστόσο, σύμφωνα με τον Pan. Για ένα, η σχετικά χαμηλή τροχιά του σημαίνει ότι κάθε σταθμός εδάφους έχει κάλυψη μόνο για περίπου 5 λεπτά κάθε μέρα και το μήκος κύματος των χρησιμοποιούμενων φωτονίων σημαίνει ότι μπορεί να λειτουργήσει μόνο τη νύχτα, είπε.
Η αύξηση των χρόνων κάλυψης και των περιοχών θα σημάνει την εκτόξευση νέων δορυφόρων με υψηλότερες τροχιές, δήλωσε ο Pan, αλλά αυτό θα απαιτήσει μεγαλύτερα τηλεσκόπια, ακριβέστερη παρακολούθηση και υψηλότερη απόδοση ζεύξης. Η καθημερινή λειτουργία θα απαιτήσει τη χρήση φωτονίων στα μήκη κύματος των τηλεπικοινωνιών, πρόσθεσε.
Αλλά ενώ η ανάπτυξη μελλοντικών κβαντικών δικτύων επικοινωνίας θα απαιτήσει σημαντική εργασία, ο Thomas Jennewein, αναπληρωτής καθηγητής στο Ινστιτούτο Κβαντικής Πληροφορικής του Πανεπιστημίου του Waterloo στον Καναδά, δήλωσε ότι η ομάδα του Pan έχει αποδείξει ένα από τα βασικά δομικά στοιχεία.
"Έχω δουλέψει σε αυτή τη γραμμή έρευνας από το 2000 και έχω μελετήσει παρόμοιες εφαρμογές πειραμάτων κβαντοσυγκόλλησης από το διάστημα και έτσι μπορώ πολύ να πιστοποιήσω την τόλμη, την αφοσίωση και τις δεξιότητες που έδειξε αυτή η κινεζική ομάδα", δήλωσε ο Live Science .
