Egy kínai műhold pár "összefonódott fotont" osztott fel, és egymástól 745 mérföld (1200 kilométer) távolságra eljuttatta őket a földi állomásokra, megsemmisítve az előző távolsági rekordot egy ilyen jellegű felvételre, és új lehetőségeket nyitva a kvantumkommunikációban.
A kvantumfizikában, amikor a részecskék bizonyos módon kölcsönhatásba lépnek egymással, "belegabalyodnak". Ez lényegében azt jelenti, hogy továbbra is kapcsolatban maradnak, még akkor is, ha nagy távolságok választják el egymástól, így az egyik művelet hatással van a másikra.
Egy új, ma (június 15-én), a Science folyóiratban közzétett új tanulmányban a kutatók beszámoltak arról, hogy az összefonódott fotonpárok a Föld két helyén, a 747,5 mérföld (1203 km) távolságra helyezkednek el sikeresen.
A kvantumbeillesztés érdekes alkalmazásokat kínál a fizika alapvető törvényeinek tesztelésére, de kivételesen biztonságos kommunikációs rendszerek létrehozására is - mondta a tudósok. Ennek oka az, hogy a kvantummechanika kijelenti, hogy a kvantumrendszer mérése elkerülhetetlenül zavarja azt, ezért lehetetlen elrejteni minden lehallgatási kísérletet.
Ugyanakkor nehéz eloszlatni az összegabalyodott részecskéket - általában fotonokat - nagy távolságra. Levegőn keresztül vagy száloptikai kábeleken történő utazáskor a környezet zavarja a részecskéket, így nagyobb távolságok esetén a jel elbomlik és túl gyengevé válik ahhoz, hogy hasznos legyen.
2003-ban Pan Jianwei, a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem kvantumfizikai professzora elkezdte a műholdas rendszer kidolgozását, amelynek célja az összefonódott fotonpárok sugárzása a földi állomásokra. Az ötlet az volt, hogy mivel a részecske utazásának nagy része a tér vákuumán megy keresztül, ez a rendszer lényegesen kevesebb környezeti beavatkozást vezet be.
"Sokan ezt követően egy őrült ötletnek tartották, mert nagyon kifinomult volt már a kifinomult kvantumoptikai kísérletek elvégzése egy jól árnyékolt optikai asztalon belül" - mondta Pan a Live Sciencenek. "Szóval hogyan lehet hasonló kísérleteket végezni ezer kilométer távolságon és az optikai elemek másodpercenként 8 kilométer sebességgel rezegnek és mozognak?"
Az új tanulmányban a kutatók Kína tavaly indított Micius műholdját használják az összefonódott fotonpárok továbbítására. A műholdas ultrafényes összefonódott fotonforrással és egy nagy pontosságú beszerző, mutató és nyomkövető (APT) rendszerrel rendelkezik, amely jeladó lézereket használ a műholdas és három földi állomáson az adó és a vevő sorba állítása céljából.
Miután a fotonok elérték a földi állomásokat, a tudósok elvégezték a teszteket és megerősítették, hogy a részecskék továbbra is belegabalyodtak annak ellenére, hogy 994 mérföld és 1 490 mérföld (1600 és 2400 km) között haladtak, attól függően, hogy pályája melyik szakaszában volt a műholdas.
A tudósok szerint a Föld atmoszférájának csak a legalacsonyabb 6 mérföldje (10 km) elég vastag ahhoz, hogy jelentős mértékben megzavarja a fotonokat. Ez azt jelenti, hogy összeköttetésük általános hatékonysága jelentősen magasabb volt, mint a korábbi módszerekkel a befutott fotonok száloptikai kábeleken történő elosztására - állítják a tudósok.
"Már elértük a két fotonos összekapcsolódás elosztási hatékonyságát, amely több száz milliárdszor hatékonyabb, mint a legjobb távközlési szálak használata" - mondta Pan. "Megtettünk valamit, ami műholdas nélkül teljesen lehetetlen."
A kísérletek elvégzése mellett az ilyen típusú rendszerek egyik lehetséges felhasználása a "kvantumkulcs-elosztás", amelyben a kvantumkommunikációs rendszereket titkosító kulcs megosztására használják két fél között, amelyet lehetetlen elfogni a felhasználók figyelmeztetése nélkül. A helyes titkosítási algoritmussal kombinálva ez a rendszer még akkor sem rejthető, ha a titkosított üzeneteket normál kommunikációs csatornákon keresztül küldik - mondta a szakértők.
Artur Ekert, az Egyesült Királyságbeli Oxfordi Egyetem kvantumfizikai professzora volt az első, aki leírta, hogy az összefonódott fotonok hogyan használhatók egy titkosító kulcs továbbítására.
"A kínai kísérlet meglehetősen figyelemre méltó technológiai eredmény" - mondta Ekert a Live Science-nek. "Amikor 1991-ben, amikor Oxfordban hallgattam, javasoltam az összefonódott kvantumkulcs-eloszlást, nem számítottam arra, hogy ilyen magasságra emelkedik!"
Pan szerint azonban a jelenlegi műholdas nem igazán készen áll a gyakorlati kvantumkommunikációs rendszerekben való felhasználásra. Egyrészt viszonylag alacsony pályája azt jelenti, hogy minden földi állomás napi körülbelül 5 percig van lefedett, és a felhasznált fotonok hullámhossza azt jelenti, hogy csak éjszaka képes működni - mondta.
A lefedettségi idők és a területek növelése új, magasabb keringő műholdak elindítását fogja jelenteni, mondta Pan, de ehhez nagyobb távcsövek, pontosabb követés és nagyobb összeköttetési hatékonyság szükséges. A nappali működéshez fotonok használatát fogja igényelni a telekommunikációs hullámhosszon - tette hozzá.
Míg a jövőbeli kvantumkommunikációs hálózatok fejlesztése jelentős munkát igényel, Thomas Jennewein, a Waterloo Egyetem Kanadában lévő Kvantumszámítástechnikai Intézetének docens, elmondta, hogy a Pan csoport képviselte az egyik kulcsfontosságú építőelemet.
"2000 óta ezen a kutatási vonalon dolgozom, és az űrből származó kvantum-összekapcsolódási kísérletek hasonló megvalósításaival foglalkozom, és ezért nagyon sokat bizonyíthatom a bátorságot, odaadást és készségeket, amelyeket ez a kínai csoport mutatott" - mondta a Live Science-nek. .
