En kinesisk satellitt har delt par "sammenfiltrede fotoner" og overført dem til separate bakkestasjoner med en styrke på 1 200 kilometer (1,200 kilometer) fra hverandre, og smadret den forrige distanseposten for en slik bragd og åpnet nye muligheter innen kvantekommunikasjon.
I kvantefysikk, når partikler interagerer med hverandre på bestemte måter, blir de "viklet inn." Dette betyr egentlig at de forblir tilkoblet selv om de er adskilt med store avstander, slik at en handling utført på den ene påvirker den andre.
I en ny studie publisert på nettet i dag (15. juni) i tidsskriftet Science, rapporterer forskere den vellykkede distribusjonen av sammenfiltrede fotonpar til to steder på jorden atskilt med 1 203 km.
Kvanteforviklinger har interessante applikasjoner for testing av de grunnleggende fysikklovene, men også for å lage eksepsjonelt sikre kommunikasjonssystemer, har forskere sagt. Det er fordi kvantemekanikk uttaler at å måle et kvantesystem uunngåelig forstyrrer det, så ethvert forsøk på avlytting er umulig å skjule.
Men det er vanskelig å fordele sammenfiltrede partikler - normalt fotoner - over store avstander. Når du ferdes gjennom luft eller over fiberoptiske kabler, forstyrrer omgivelsene partiklene, så med større avstander, forfaller signalet og blir for svakt til å være nyttig.
I 2003 startet Pan Jianwei, professor i kvantefysikk ved University of Science and Technology of China, arbeidet med et satellittbasert system designet for å stråle sammenfiltrede fotonpar ned til bakkestasjoner. Tanken var at fordi det meste av partikkelens reise ville være gjennom vakuumet i rommet, ville dette systemet innføre betydelig mindre miljøforstyrrelser.
Pan mente da det som en gal ide, fordi det allerede var veldig utfordrende å gjøre de sofistikerte kvanteoptikkeksperimentene inne i et godt skjermet optisk bord, ”sa Pan til Live Science. "Så hvordan kan du gjøre lignende eksperimenter i tusen kilometer avstandsskala og med de optiske elementene vibrerende og bevege seg med en hastighet på 8 kilometer i sekundet?"
I den nye studien brukte forskere Kinas Micius-satellitt, som ble lansert i fjor, for å overføre de sammenfiltrede fotonparene. Satellitten har en ultrabrent sammenfiltret fotonkilde og et APT-system med høy presisjon som skaffer seg beaconlasere på satellitten og på tre bakkestasjoner for å stille opp sender og mottakere.
Da fotonene nådde bakkestasjonene, utførte forskerne tester og bekreftet at partiklene fremdeles var viklet inn til tross for at de hadde tilbakelagt mellom 1 600 og 2,400 kilometer (1600 og 2400 km), avhengig av hvilket stadium i bane satellitten var plassert på.
Bare de laveste 10 milene av jordens atmosfære er tykke nok til å forårsake betydelig interferens med fotonene, sa forskerne. Dette betyr at den totale effektiviteten til lenken deres var langt høyere enn tidligere metoder for å distribuere sammenfiltrede fotoner via fiberoptiske kabler, ifølge forskerne.
Pan har sagt: "Vi har allerede oppnådd en distribusjonseffektivitet med to fotoner en billion ganger mer effektiv enn å bruke de beste telekommunikasjonsfibrene. "Vi har gjort noe som var helt umulig uten satellitten."
Bortsett fra å utføre eksperimenter, er en av de potensielle bruksområdene for denne typen systemer for "kvantetastfordeling", der kvante-kommunikasjonssystemer brukes til å dele en krypteringsnøkkel mellom to parter som det er umulig å avskjære uten å varsle brukerne. Når systemet kombineres med riktig krypteringsalgoritme, kan dette systemet ikke brytes, selv om krypterte meldinger blir sendt over normale kommunikasjonskanaler, har eksperter sagt.
Artur Ekert, professor i kvantefysikk ved University of Oxford i Storbritannia, var den første som beskrev hvordan sammenfiltrede fotoner kunne brukes til å overføre en krypteringsnøkkel.
"Det kinesiske eksperimentet er en ganske bemerkelsesverdig teknologisk prestasjon," sa Ekert til Live Science. "Da jeg foreslo den sammenfiltrede baserte kvante nøkkelfordelingen tilbake i 1991 da jeg var student i Oxford, forventet jeg ikke at den skulle bli hevet til slike høyder!"
Nåværende satellitt er imidlertid ikke helt klar til bruk i praktiske kvantekommunikasjonssystemer, ifølge Pan. For det første betyr dens relativt lave bane at hver bakkestasjon har dekning i bare cirka 5 minutter hver dag, og bølgelengden til de brukte fotoner betyr at den bare kan operere om natten, sa han.
Å øke dekningstiden og områdene vil bety lansering av nye satellitter med høyere baner, sa Pan, men dette vil kreve større teleskoper, mer presis sporing og høyere koblingseffektivitet. Dagdrift vil kreve bruk av fotoner i telekommunikasjonsbølgelengdene, la han til.
Men mens det å utvikle fremtidige kvante-kommunikasjonsnettverk vil kreve betydelig arbeid, sa Thomas Jennewein, førsteamanuensis ved University of Waterloos Institute for Quantum Computing i Canada, Pan-gruppen har demonstrert en av de viktigste byggesteinene.
"Jeg har jobbet i denne forskningsgrensen siden 2000 og forsket på lignende implementeringer av kvantefangenskapseksperimenter fra verdensrommet, og jeg kan derfor veldig vitne til dristighet, engasjement og ferdigheter som denne kinesiske gruppen har vist," sa han til Live Science .
