Un satelit chinez a împărțit perechi de „fotoni încurcați” și i-a transmis către stații de sol separate la o distanță de 1.200 de mile (1.200 de kilometri), distrugând recordul de distanță anterior pentru un astfel de feat și deschizând noi posibilități în comunicarea cuantică.
În fizica cuantică, când particulele interacționează între ele în anumite moduri, ele devin „încurcate”. Acest lucru înseamnă, în esență, că rămân conectați chiar și atunci când sunt separați de distanțe mari, astfel încât o acțiune efectuată asupra unuia îl afectează pe celălalt.
Într-un nou studiu publicat online azi (15 iunie) în revista Science, cercetătorii raportează distribuția cu succes a perechilor de fotoni încurcați în două locații de pe Pământ, separate cu 1,203 km 747,5 mile.
Înțelegerile cuantice au aplicații interesante pentru testarea legilor fundamentale ale fizicii, dar și pentru crearea unor sisteme de comunicații excepțional de sigure, au spus oamenii de știință. Acest lucru se datorează faptului că mecanica cuantică afirmă că măsurarea unui sistem cuantic îl deranjează inevitabil, astfel încât orice încercare de stingere este imposibil de ascuns.
Dar, este greu de distribuit particule încurcate - în mod normal fotoni - pe distanțe mari. Atunci când călătorești prin aer sau prin cabluri cu fibră optică, mediul interferează cu particulele, deci cu distanțe mai mari, semnalul se descompune și devine prea slab pentru a fi util.
În 2003, Pan Jianwei, profesor de fizică cuantică la Universitatea de Știință și Tehnologie din China, a început activitatea pe un sistem bazat pe satelit conceput pentru a conecta perechi de fotoni încurcați până la stațiile terestre. Ideea era că, deoarece cea mai mare parte a călătoriei particulelor va fi prin vidul spațiului, acest sistem ar introduce o interferență de mediu mult mai mică.
„Mulți oameni au crezut atunci că este o idee nebună, pentru că era foarte provocator să facă deja experimentele sofisticate de optică cuantică în interiorul unei mese optice bine ecranate”, a declarat Pan pentru Live Science. "Deci cum poți face experimente similare la o scară de mii de kilometri și cu elementele optice care vibrează și se mișcă cu o viteză de 8 kilometri pe secundă?"
În noul studiu, cercetătorii au folosit satelitul Micius din China, lansat anul trecut, pentru a transmite perechile de fotoni încurcați. Satelitul dispune de o sursă de fotoni încurcată ultrabright și un sistem de achiziție, indicare și urmărire (APT) de înaltă precizie care folosește lasere cu baliză pe satelit și la trei stații la sol pentru a alinia transmițătorul și receptorii.
Odată ce fotonii au ajuns la stațiile de la sol, oamenii de știință au efectuat teste și au confirmat că particulele erau încă încurcate, deși au parcurs între 994 mile și 1.490 mile (1.600 și 2.400 km), în funcție de stadiul orbitei sale satelitul.
Doar cei mai puțini 10 km (10 km) din atmosfera Pământului sunt suficient de groase pentru a provoca interferențe semnificative cu fotonii, au spus oamenii de știință. Aceasta înseamnă că eficiența generală a legăturii lor a fost mult mai mare decât metodele anterioare pentru distribuirea fotonilor încurcați prin cabluri cu fibră optică, potrivit oamenilor de știință.
„Am obținut deja o eficiență de distribuție a distribuției de doi fotoni, de un trilion de ori mai eficient decât utilizarea celor mai bune fibre de telecomunicații”, a spus Pan. „Am făcut ceva absolut imposibil fără satelit”.
În afară de efectuarea de experimente, una dintre utilizările potențiale pentru acest tip de sistem este cea pentru „distribuția cheilor cuantice”, în care sistemele de comunicații cuantice sunt utilizate pentru a partaja o cheie de criptare între două părți, care este imposibil de interceptat fără a avertiza utilizatorii. Atunci când este combinat cu algoritmul corect de criptare, acest sistem este de neatins chiar dacă mesajele criptate sunt trimise pe canale normale de comunicare, au spus specialiștii.
Artur Ekert, profesor de fizică cuantică la Universitatea din Oxford din Regatul Unit, a fost primul care a descris modul în care fotonii încurcați pot fi folosiți pentru a transmite o cheie de criptare.
"Experimentul chinez este o realizare tehnologică remarcabilă", a declarat Ekert pentru Live Science. "Când am propus distribuția cheilor cuantice bazate pe încurcate în 1991, când eram student la Oxford, nu mă așteptam să fie ridicat la astfel de înălțimi!"
Satelitul actual nu este tocmai pregătit pentru utilizare în sistemele practice de comunicare cuantică, însă, potrivit Pan. Pentru una, orbita sa relativ mică înseamnă că fiecare stație de la sol are acoperire de aproximativ 5 minute în fiecare zi, iar lungimea de undă a fotonilor folosiți înseamnă că poate funcționa doar noaptea, a spus el.
Îmbunătățirea timpilor și a zonelor de acoperire va însemna lansarea de noi sateliți cu orbite mai mari, a spus Pan, dar acest lucru va necesita telescoape mai mari, urmărire mai precisă și eficiență mai mare a legăturilor. Operațiunea de zi va necesita utilizarea fotonilor în lungimile de undă ale telecomunicațiilor, a adăugat el.
Dar, în timp ce dezvoltarea viitoarelor rețele de comunicare cuantică va necesita o muncă considerabilă, Thomas Jennewein, profesor asociat la Institutul pentru calculare cuantică al Universității din Waterloo din Canada, a declarat că grupul Pan a demonstrat unul dintre blocurile cheie de construcție.
"Am lucrat la această linie de cercetare din 2000 și am cercetat implementări similare de experimente cuantificative din spațiu. Prin urmare, pot atesta foarte mult îndrăzneala, dăruirea și abilitățile pe care le-a arătat acest grup chinez", a spus el pentru Live Science .
