Китайський супутник розділив пари "заплутаних фотонів" і передав їх окремим наземним станціям на відстані 1200 кілометрів (1200 кілометрів) один від одного, побивши попередній рекорд відстані для такого подвигу і відкривши нові можливості в квантовій комунікації.
У квантовій фізиці, коли частинки певним чином взаємодіють між собою, вони стають «заплутаними». Це по суті означає, що вони залишаються на зв’язку, навіть якщо їх розділяють великі відстані, так що дія, яка виконується на одній, впливає на іншу.
У новому дослідженні, опублікованому в Інтернеті сьогодні (15 червня) у журналі Science, дослідники повідомляють про успішний розподіл заплутаних пар фотонів у двох місцях на Землі, розділених на 747,5 миль (1 203 км).
У квантовому заплутанні є цікаві програми для тестування основних законів фізики, а також для створення виключно безпечних систем зв'язку, вважають вчені. Це тому, що квантова механіка стверджує, що вимірювання квантової системи неминуче порушує її, тому будь-яку спробу підслухувати неможливо приховати.
Але важко розподілити заплутані частинки - зазвичай фотони - на великі відстані. Під час подорожей по повітрю або по волоконно-оптичних кабелях навколишнє середовище заважає частинкам, тому на великих відстанях сигнал затухає і стає занадто слабким, щоб бути корисним.
У 2003 році пан Цзяньвей, професор квантової фізики в Університеті науки і техніки Китаю, розпочав роботу над системою, що базується на супутнику, розробленою для випромінювання зв'язаних пар фотонів до наземних станцій. Ідея полягала в тому, що через те, що більшість подорожей частинок пройде через вакуум космосу, ця система вводитиме значно менші втручання в навколишнє середовище.
"Багато людей тоді вважали це божевільною ідеєю, оскільки це було дуже складно, вже роблячи складні експерименти з квантовою оптикою всередині добре екранованого оптичного столу", - сказав Пен Live Live. "Тож як ви можете робити подібні експерименти в масштабі відстані тисячі кілометрів, а оптичні елементи вібрують і рухаються зі швидкістю 8 кілометрів в секунду?"
У новому дослідженні дослідники використовували китайський супутник Micius, який був запущений минулого року для передачі заплутаних пар фотонів. Супутник оснащений ультраяскравим джерелом фотонів, що заплутується, та високоточною системою збору, вказівки та відстеження (APT), яка використовує маяки-лазери на супутнику та на трьох наземних станціях для лінійки передавача та приймачів.
Як тільки фотони дійшли до наземних станцій, вчені провели випробування і підтвердили, що частинки все ще заплутувалися, незважаючи на проїзд між 1600 і 2400 км між 994 милями та 1400 км, залежно від того, на якій стадії його орбіти розташований супутник.
Тільки найнижчі 6 миль (10 км) земної атмосфери є досить товстими, щоб викликати значні перешкоди з фотонами, вважають вчені. Це означає, що загальна ефективність їх зв'язку була набагато вищою, ніж попередні методи розподілу заплутаних фотонів за допомогою волоконно-оптичних кабелів, на думку вчених.
"Ми вже досягли ефективності розповсюдження двофотонного переплетення в трильйон разів ефективніше, ніж використання кращих телекомунікаційних волокон", - сказав Пан. "Ми зробили щось, що було абсолютно неможливо без супутника".
Окрім проведення експериментів, одним із потенційних застосувань для такого роду систем є «квантове розподілення ключів», в якому системи квантових комунікацій використовуються для обміну ключем шифрування між двома сторонами, що неможливо перехопити, не оповістивши користувачів. У поєднанні з правильним алгоритмом шифрування ця система є нерозбірливою, навіть якщо зашифровані повідомлення надсилаються через звичайні канали зв'язку, зазначають експерти.
Артур Екерт, професор квантової фізики в Оксфордському університеті у Сполученому Королівстві, першим описав, як заплутані фотони можуть бути використані для передачі ключа шифрування.
"Китайський експеримент - це досить значне технологічне досягнення", - сказав Екерт Live Science. "Коли я ще у 1991 році, коли я був студентом в Оксфорді, я запропонував заплутаний розподіл квантових ключів, я не сподівався, що він буде підвищений до таких висот!"
Сучасний супутник не зовсім готовий до використання в практичних системах квантового зв'язку, хоча, за словами Пана. Для одного, його відносно низька орбіта означає, що кожна наземна станція має покриття лише близько 5 хвилин щодня, а довжина хвилі використовуваних фотонів означає, що вона може працювати лише вночі, сказав він.
Підвищення часу та областей покриття означатиме запуск нових супутників з більш високими орбітами, сказав Пан, але для цього знадобляться більші телескопи, більш точне відстеження та більша ефективність зв'язку. Денна операція вимагатиме використання фотонів у довжинах хвиль телекомунікацій, додав він.
Але при розробці майбутніх мереж квантових комунікацій знадобиться значна робота, доцент Томас Дженневейн з Інституту квантових обчислень Університету Ватерлоо в Канаді заявив, що група Пана продемонструвала один з ключових складових.
"Я працював над цим напрямом досліджень з 2000 року і досліджував подібні втілення експериментів з квантового заплутування з космосу, і тому я дуже можу засвідчити сміливість, відданість та навички, які проявила ця китайська група", - сказав він Live Live .
