Kiinalainen satelliitti on jakanut parit "takertuneita fotoneja" ja lähettänyt ne erillisiin maa-asemiin 745 mailin (1 200 km) etäisyydellä toisistaan, puristaen edellisen etäisyysrekisterin tällaisesta saavutuksesta ja avannut uusia mahdollisuuksia kvanttiviestinnässä.
Kun kvanttifysiikassa hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa tietyillä tavoilla, ne "takertuvat". Tämä tarkoittaa pääasiassa, että ne pysyvät kytkettynä, vaikka ne olisivat erotettuina suurista etäisyyksistä, niin että yhdelle suoritettu toimenpide vaikuttaa toiseen.
Uudessa tutkimuksessa, joka julkaistiin tänään verkossa (15. kesäkuuta) Science-lehdessä, tutkijat kertovat takertuneiden fotonipaarien onnistuneesta jakautumisesta kahteen maapallon sijaintiin, joita erottaa 1 203 km 747,5 mailia.
Kvanttipitoisuudella on mielenkiintoisia sovelluksia fysiikan peruslakien testaamiseen, mutta myös poikkeuksellisen turvallisten viestintäjärjestelmien luomiseen, tutkijat ovat todenneet. Tämä johtuu siitä, että kvantimekaniikan mukaan kvanttijärjestelmän mittaaminen häiritsee sitä väistämättä, joten mitään salakuunteluyrityksiä on mahdoton piilottaa.
Mutta takertuvia hiukkasia - yleensä fotoneja - on vaikea jakaa suurille etäisyyksille. Kun matkustetaan ilman kautta tai kuituoptisten kaapeleiden kautta, ympäristö häiritsee hiukkasia, joten pidemmällä etäisyydellä signaali rapenee ja muuttuu liian heikkona hyödyllisyydeksi.
Vuonna 2003 Kiinan tiede- ja tekniikkayliopiston kvanttifysiikan professori Pan Jianwei aloitti satelliittipohjaisen järjestelmän, joka on suunniteltu säteittämään takertuneita fotonipareja maa-asemille. Ajatuksena oli, että koska suurin osa hiukkasten matkasta kulkisi avaruuden tyhjiön läpi, tämä järjestelmä aiheuttaisi huomattavasti vähemmän ympäristövaikutuksia.
"Monet ihmiset pitivät silloin hullua ideaa, koska se oli erittäin haastavaa jo tehdä hienostuneita kvanttioptiikkakokeita hyvin suojatun optisen pöydän sisällä", Pan kertoi Live Science: lle. "Joten miten voit tehdä samanlaisia kokeita tuhansien kilometrien etäisyydellä ja optisten elementtien värähteleessä ja liikkuessa 8 km / s nopeudella?"
Uudessa tutkimuksessa tutkijat käyttivät Kiinassa viime vuonna käynnistettyä Micius-satelliittia lähettääkseen takertuneita fotonipareja. Satelliitissa on ultrakevyt takertunut fotonilähde ja erittäin tarkka hankinta-, osoitus- ja seurantajärjestelmä (APT), joka käyttää majakkalasereita satelliitissa ja kolmella maa-asemalla lähettimen ja vastaanottimien riviin saattamiseksi.
Kun fotonit saavuttivat maa-asemat, tutkijat suorittivat testit ja vahvistivat, että hiukkaset olivat silti takertuneita huolimatta siitä, että ne olivat kulkeneet 994 mailin ja 1 490 mailin (1600 ja 2400 km) välillä, riippuen siitä, missä kiertoradan vaiheessa satelliitti oli sijoitettu.
Vain maapallon ilmakehän alimmat 6 mailia (10 km) ovat riittävän paksuja aiheuttamaan merkittäviä häiriöitä fotoneille, tutkijat sanoivat. Tämä tarkoittaa, että niiden linkin kokonaistehokkuus oli tutkijoiden mukaan huomattavasti korkeampi kuin aikaisemmat menetelmät takertuneiden fotonien jakamiseksi kuituoptisten kaapeleiden kautta.
"Olemme jo saavuttaneet kahden fotonin takertumisen jakelutehokkuuden triljoona kertaa tehokkaammin kuin käyttämällä parhaita tietoliikennekuituja", Pan sanoi. "Olemme tehneet jotain, mikä oli täysin mahdotonta ilman satelliittia."
Kokeiden suorittamisen lisäksi yksi tällaisen järjestelmän mahdollisista käyttökohteista on "kvantiavainjakelu", jossa kvantikommunikaatiojärjestelmiä käytetään jakamaan salausavain kahden osapuolen välillä, jota on mahdotonta siepata käyttäjiä varoittamatta. Yhdistettynä oikeaan salausalgoritmiin tämä järjestelmä on särömätön, vaikka salatut viestit lähetettäisiin normaalien viestintäkanavien kautta, asiantuntijat ovat todenneet.
Yhdistyneen kuningaskunnan Oxfordin yliopiston kvanttifysiikan professori Artur Ekert kuvasi ensimmäisenä kuinka takertuneita fotoneja voidaan käyttää salausavaimen lähettämiseen.
"Kiinalainen kokeilu on melko merkittävä teknologinen saavutus", Ekert kertoi Live Science: lle. "Kun ehdotin takertuneeseen perustuvaa kvantiavainjakelua vuonna 1991, kun olin opiskelija Oxfordissa, en odottanut sen olevan nostettu tällaisiin korkeuksiin!"
Panin mukaan nykyinen satelliitti ei ole kuitenkaan aivan valmis käytettäväksi käytännöllisissä kvanttiviestintäjärjestelmissä. Yhden suhteen, sen suhteellisen matala kiertorata tarkoittaa, että jokaisella maa-asemalla on peitto vain noin 5 minuuttia päivässä, ja käytettyjen fotonien aallonpituus tarkoittaa, että se voi toimia vain yöllä, hän sanoi.
Peittoaikojen ja -alueiden lisääminen tarkoittaa uusien satelliittien laukaisua, joiden kiertoradat ovat korkeammat, Pan sanoi, mutta tämä vaatii isompia kaukoputkia, tarkempaa seurantaa ja suurempaa linkkitehokkuutta. Päivittäinen toiminta vaatii fotonien käyttöä tietoliikenteen aallonpituuksilla, hän lisäsi.
Mutta vaikka tulevien kvanttiviestintäverkkojen kehittäminen vaatii huomattavaa työtä, Kanadan Waterloon yliopiston kvanttilaskennan instituutin apulaisprofessori Thomas Jennewein sanoi, että Panin ryhmä on osoittanut yhden keskeisistä rakennuspalikoista.
"Olen työskennellyt tällä tutkimuslinjalla vuodesta 2000 ja tutkinut vastaavia kvanttaario-kokeiden toteutuksia avaruudesta, ja voin siksi todistaa rohkeudella, omistautumisella ja taidoilla, jotka tämä kiinalainen ryhmä on osoittanut", hän kertoi Live Science: lle. .
