Китайски сателит раздели двойки "заплетени фотони" и ги предава на отделни наземни станции на разстояние 745 мили (1200 километра) един от друг, разбивайки предишния рекорд за разстояние за такъв подвиг и отваря нови възможности в квантовата комуникация.
В квантовата физика, когато частиците си взаимодействат помежду си по определени начини, те се „заплитат“. Това по същество означава, че те остават свързани дори когато са разделени от големи разстояния, така че дадено действие, извършено върху едното, засяга другото.
В ново проучване, публикувано онлайн днес (15 юни) в списание Science, изследователите съобщават за успешното разпределение на заплетени фотонски двойки на две места на Земята, разделени на 747,5 мили (1 203 км).
Квантовото заплитане има интересни приложения за тестване на основните закони на физиката, но и за създаване на изключително сигурни комуникационни системи, казват учените. Това е така, защото квантовата механика гласи, че измерването на квантова система неизбежно я смущава, така че всеки опит за подслушване е невъзможно да се скрие.
Но е трудно да се разпределят заплетени частици - обикновено фотони - на големи разстояния. Когато пътувате по въздух или по оптични кабели, околната среда пречи на частиците, така че при по-големи разстояния сигналът се разпада и става твърде слаб, за да бъде полезен.
През 2003 г. Пан Джанвей, професор по квантова физика в Университета за наука и технологии в Китай, започва работа върху спътникова система, предназначена да променя заплетени двойки фотони до наземните станции. Идеята беше, че тъй като по-голямата част от пътуването на частиците ще бъде през пространството на вакуума, тази система ще въведе значително по-малко намеса в околната среда.
"Много хора тогава го смятаха за луда идея, защото беше много предизвикателно вече да правят сложните експерименти с квантова оптика вътре в добре екранирана оптична маса", каза Пан пред Live Science. "И така, как можете да правите подобни експерименти в мащаб на хиляди километри разстояние и с оптичните елементи да вибрират и да се движат със скорост от 8 километра в секунда?"
В новото проучване изследователите използваха китайския спътник Micius, който беше изстрелян миналата година, за да предадат заплетените фотонови двойки. Сателитът разполага с ултра ярък заплетен фотонен източник и високо прецизна система за придобиване, насочване и проследяване (APT), която използва маяци на сателита и на три наземни станции за подреждане на предавателя и приемниците.
След като фотоните стигнаха до наземните станции, учените извършиха тестове и потвърдиха, че частиците все още са заплетени, въпреки че са пропътували между 994 мили и 1490 мили (1600 и 2400 км), в зависимост от това на кой етап от орбитата му е разположен спътникът.
Само най-ниските (10 км) от земната атмосфера са достатъчно дебели, за да причинят значителни смущения на фотоните, казаха учените. Това означава, че общата ефективност на тяхната връзка е значително по-висока от предишните методи за разпространение на заплетени фотони чрез оптични кабели, според учените.
"Вече постигнахме ефективност на разпределение на два фотона заплитане трилион пъти по-ефективна от използването на най-добрите телекомуникационни влакна", каза Пан. "Направихме нещо, което беше абсолютно невъзможно без сателита."
Освен провеждането на експерименти, едно от потенциалните приложения за този вид система е за "квантово разпределение на ключове", при което квантовите комуникационни системи се използват за споделяне на ключ за криптиране между две страни, което е невъзможно да се пресече, без да се предупреди потребителите. Когато се комбинира с правилния алгоритъм за криптиране, тази система е неразбираема, дори ако криптирани съобщения се изпращат по нормални комуникационни канали, казаха експерти.
Артур Екерт, професор по квантова физика в Университета в Оксфорд в Обединеното кралство, беше първият, който описва как заплетени фотони могат да бъдат използвани за предаване на ключ за криптиране.
"Китайският експеримент е доста забележително технологично постижение", каза Екерт пред Live Science. "Когато през 1991 г., когато бях студент в Оксфорд, предложих въобразеното разпределение на квантовите ключове, не очаквах то да бъде издигнато до такива височини!"
Въпреки това, сегашният спътник не е напълно готов за използване в практични системи за квантова комуникация, според Пан. От една страна, относително ниската му орбита означава, че всяка наземна станция има покритие само около 5 минути всеки ден, а дължината на вълната на използваните фотони означава, че тя може да работи само през нощта, каза той.
Подобряването на времето и зоните на покритие ще означава изстрелване на нови спътници с по-високи орбити, каза Пан, но това ще изисква по-големи телескопи, по-прецизно проследяване и по-висока ефективност на връзката. Операцията през деня ще изисква използването на фотони в дължините на вълните на телекомуникациите, добави той.
Но докато разработването на бъдещи квантови комуникационни мрежи ще изисква значителна работа, Томас Дженнейн, доцент в Института за квантови изчислители на Университета на Ватерло в Канада, заяви, че групата на Пан е демонстрирала един от ключовите градивни елементи.
"Работя в тази линия от 2000 г. и проучвах подобни изпълнения на експериментите в квантовото заплитане от космоса и затова мога много да свидетелствам за дързостта, всеотдайността и уменията, които тази китайска група показа", каза той пред Live Science ,
