Chiny przeniosły nieintuicyjny świat fizyki kwantowej z Ziemi w przestrzeń kosmiczną. Wysłany w 2016 roku satelita demonstrujący technikę komunikacji kwantowej dokonał przesyłu splątanych fotonów między stacjami, które dzieli 1200 kilometrów. Jest to absolutny rekord, kamień milowy w rozwoju ultrabezpiecznej komunikacji i chociaż obecna skuteczność nie pozwala na praktyczne zastosowanie, to wielu prognozuje, że to pierwsze kroki ku Internetowi przyszłości.
Micius to satelita wysłany w sierpniu 2016 roku, aby wykonać w przestrzeni kosmicznej eksperymenty testujące postulaty mechaniki kwantowej. Jest to pierwszy z satelitów serii Eksperymentów Kwantowych Kosmicznej Skali. Chińczycy przeznaczyli na ten program 100 milionów dolarów i chcą tym sposobem dołączyć do USA i Europy w wielkości inwestowanych środków w naukę w kosmosie.
Pierwszy eksperyment wykonany przez satelitę polegał na wysłaniu ze stacji naziemnej wiązki laserowej, która następnie była wewnątrz satelity rozbijana na pary splątanych fotonów o przeciwnej polaryzacji. Następnie były one wysyłane do dwóch stacji odbiorczych Delingha i Lijiang, oddalonych od siebie o 1200 kilometrów. Zespół naukowców prowadzących badania opublikował na łamach magazynu Science wyniki eksperymentu, chwaląc się pomiarem ponad tysiąca takich par. Otrzymane fotony w obu stacjach cechowały się przeciwną polaryzacją znacznie częściej niż wynikałoby to z czystego przypadku.
Na czym polega kwantowa komunikacja?
Kwantowe splątanie zostało po raz pierwsze opisane przez Einsteina, Podolskiego i Rosena w publikacji z 1935 roku oraz Schrödingera w osobnej pracy. Praca trójki miała na celu wykazać niezupełność mechaniki kwantowej (postulat, że rozwijająca się wtedy mechanika kwantowa nie opisuje dokładnie otaczającego świata). Uczeni zaproponowali wtedy doświadczenie myślowe, w którym pokazywali za pomocą aparatu matematycznego jak zgodnie z mechaniką kwantową dwie splątane cząstki powinny reagować na zmianę stanu jednego ze swojego partnera natychmiastowo, szybciej od prędkości światła. Stało to oczywiście w sprzeczności z przekonaniem o tym, że nie można wysłać informacji szybciej niż prędkością światła. Rok później Schrödinger zainspirowany pracą trójki EPR po raz pierwszy wprowadził termin stanu splątanego i wskazał jak można interpretować to zjawisko tak, by jednocześnie zachować fizyczny „zakaz” przekroczenia prędkości światła.
Splątanie kwantowe w skrócie polega na wprowadzeniu systemu fizycznego (czyli pewnego zbioru cząstek) w jeden wspólny stan kwantowy reprezentowany przez funkcję falową. Stan ten charakteryzuje się tym, że dopóki nie dokona się jego pomiaru jest on opisywany przez pewien rozkład prawdopodobieństwa – tak jak słynny kot Schroedingera może być jednocześnie żywy i martwy. Dopiero pomiar sprowadza system do jednego stanu (dla wspomnianego kota: żywy lub martwy).
Ten sam stan kwantowy dzielony przez wiele obiektów, nie da się rozdzielić i nawet jeśli będzie to para cząstek oddalona od siebie o galaktyczne odległości to stany tych cząstek będą połączone aż do momentu, w którym któryś z jego elementów zostanie zmierzony lub zachwiany. Tym sposobem dla dwóch oddalonych dowolnie splątanych cząstek, pomiar jednej automatycznie determinuje stan drugiej, nawet jeśli nie oddziałują ze sobą i dzieli je ogromna odległość.
To, wydające się być absurdalnym zjawisko zostało już wielokrotnie przetestowane w laboratoriach na Ziemi. Od lat 70. fizycy testują ten efekt na coraz większych dystansach. I tak w 2015 roku zmierzono splątane elektrony na odległości 1300 m.
To nie tylko nauka
Chociaż eksperymenty związane z badaniem stanu splątania kwantowego na coraz większych odległościach w coraz bardziej ekstremalnych warunkach są same w sobie ciekawe, to chyba bardziej motywujące są perspektywy wykorzystania zjawiska w ultrabezpiecznej, praktycznie niemożliwej do przechwycenia komunikacji. Kwantowa kryptografia, teleportacja i w końcu kwantowe sieci to możliwe zastosowania zjawiska.
Ciągi splątanych fotonów mogą być „kwantowymi kluczami” zabezpieczającymi komunikację. Każdy kto chciałby podsłuchać tak zaszyfrowanej wiadomości, natychmiast dałby znać o tym komunikującym się stronom.
Dlaczego nie jest to proste?
Splątane fotony bardzo szybko zanikają w przekazie, przechodząc przez powietrze (komunikacja naziemna) czy światłowody. Do tej pory uzyskano naziemnie odległości około 100 km. Straty rosną eksponencjalnie wraz z odległością. Dla zobrazowania tego: jeśli będziemy mieli źródło wysyłające 10 000 000 fotonów na sekundę, to w kanale światłowodowym o długości 600 km na drugim końcu poczekalibyśmy na pierwszą splątaną parę 32 000 lat... Nie wspominamy tutaj o tym, że aby oddzielić szum od rzeczywistego sygnału w linii komunikacyjnej „chciane” fotony muszą wpadać odpowiednio często. Na drodze kanału trzeba więc umieszczać odpowiednie wzmacniacze. Fotony te nie mogą być jednak wzmacniane w sposób tradycyjny, gdyż zabrania tego fizyka i postulat o zakazie klonowania – nie da się zrobić idealnej kopii stanu kwantowego.
Na szczęście naukowcy wymyślili już kilka rozwiązań tego problemu. Jednym z nich jest podział transmisji na większej odległości na mniejsze segmenty. Między segmentami informacja przesyłana jest za pomocą bardzo skomplikowanej aparatury wykorzystującej zjawiska wymiany splątania, puryfikacji splątania i zapisu splątanych cząstek. To wszystko jest jeszcze jednak w niedojrzałej fazie.
Dlatego wielu fizyków od dawna marzyło o użyciu satelitów do wysyłania informacji kwantowej przez nieprzeszkadzającą próżnię. To przeskakuje prawie wszystkie problemy związane z naziemną komunikacją.
Micius stał się więc urzeczywistnieniem tych marzeń. W swoim pierwszym eksperymencie pośredniczył w komunikacji pomiędzy dwiema stacjami położonymi w górach Tybetu, tak by jak najbardziej zminimalizować ilość powietrza przez które muszą przejść sparowane fotony.
Jak wyglądała kosmiczna komunikacja?
Po uwzględnieniu wyników poprzednich naziemnych eksperymentów w celu wykonania satelitarnej transmisji kwantowej zdecydowano się wysłać Miciusa na orbitę o wysokości około 500 km. Do tego celu należało stworzyć zminiaturyzowany mechanizm plątający fotony w satelicie i wysyłający je z dużą częstotliwością oraz zbudować stacje odbiorcze, które mogą podążać za przemykającym na niebie z prędkością około 8 km/s satelitą.
Utworzone źródło splątanych fotonów osiąga częstotliwość około 6 MHz (6 milionów splatanych par na sekundę). Na Ziemi udało odbierać się je z częstotliwością około 1 Hz, czyli jedną parę z 6 milionów wysyłanych w każdej sekundzie z dokładnością 87%. Chociaż nadal nie umożliwia to praktycznego zastosowania, to jest to wynik znacznie lepszy od tych uzyskiwanych naziemnie.
Satelita leci na orbicie heliosynchronicznej i pojawia się w polu widzenia stacji odbierających sygnał każdej nocy około 1:30 czasu lokalnego. Każdy przelot trwał około 275 s. Porównując osiągnięte rezultaty z tymi możliwymi w najlepszych światłowodach efektywność komunikacji była 12 do 17 rzędów lepsza.
Odebrane w stacjach fotony analizowano pod względem zachowania splątania oraz niespełniania nierówności Bella, która potwierdza nielokalność splątania na niespotykaną dotąd odległość.
Co dalej?
Chiny planują wysłanie kilka kolejnych satelitów z silniejszymi i czystszymi wiązkami laserowymi, które umożliwią wykonywanie eksperymentów również w trakcie dnia. Oczywiście nadal użytkowany będzie Micius. Planuje się wykonać dystrybucję kluczy kwantowych do stacji w Chinach, a później między Austrią i Chinami, co wymagać będzie przechowania jednego fotonu aż stacja naziemna pojawi się w widoku satelity. Następnie planowany jest eksperyment wykonania teleportacji kwantowej – czyli przeniesienia informacji bez konieczności przeniesienia do tego celu cząstki (np. fotonu).
Oczywiście inne państwa także rozwijają technologie kwantowe. Amerykanie i Europejczycy wykonują eksperymenty korzystając z pokładu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Kanadyjska Agencja Kosmiczna ma zamiar wysłać małego satelitę komunikacji kwantowej. Działania Chin zmotywowały Europę i Europejska Agencja Kosmiczna także wyśle wkrótce własnego satelitę do kwantowych eksperymentów.
Źródło: Science
Więcej informacji:
-
publikacja naukowa podsumowująca pierwszy eksperyment komunikacji kwantowej za pomocą satelity Micius (Science)
-
krótkie podsumowanie artykułu wraz z filmem (Science)
Na zdjęciu: Wizualizacja pracy satelity kwantowej komunikacji Micius. Źródło: CCTV.
