Hiina satelliit on jaganud paariks "takerdunud footoneid" ja edastanud need maapealsetesse jaamadesse üksteisest 745 miili (1200 kilomeetri) kaugusel, purustades eelneva sellise rekordi kaugusrekordi ja avades uusi võimalusi kvantkommunikatsioonis.
Kui osakesed interakteeruvad kvantfüüsikas teatud viisil, muutuvad nad "takerdunud". See tähendab põhimõtteliselt, et nad jäävad ühendatud isegi siis, kui neid eraldavad suured vahemaad, nii et ühe toiming mõjutab teist.
Uues uuringus, mis avaldati täna veebis (15. juuni) ajakirjas Science, teatasid teadlased takerdunud footonipaaride edukast jaotumisest Maa kahele kohale, mida eraldab 747,5 miili (1203 km).
Kvantpõimimisel on huvitavaid rakendusi füüsika põhiseaduste katsetamiseks, aga ka erakordselt turvaliste sidesüsteemide loomiseks, väidavad teadlased. Põhjus on selles, et kvantmehaanika väidab, et kvantsüsteemi mõõtmine häirib seda paratamatult, nii et kõiki pealtkuulamise katseid on võimatu varjata.
Kuid takerdunud osakesi - tavaliselt footoneid - on raske jaotada suurte vahemaade taha. Õhu kaudu või kiudoptiliste kaablite kaudu rännates segab keskkond osakesi, nii et suurema vahemaa korral kõlab signaal ja muutub liiga nõrgaks, et seda kasutada.
2003. aastal alustas Hiina teaduse ja tehnikaülikooli kvantfüüsika professor Pan Jianwei tööd satelliidipõhise süsteemi väljatöötamiseks, mis oli kavandatud takerdunud footonipaaride kiiritamiseks maapealsetesse jaamadesse. Idee oli see, et kuna suurem osa osakeste teekonnast kulgeb läbi kosmose vaakumi, tooks see süsteem oluliselt vähem keskkonnamõju.
"Paljud inimesed pidasid seda siis hullumeelseks ideeks, sest juba varjestatud optilise laua sees keerukate kvantoptika katsete tegemine oli väga keeruline," rääkis Pan Live Science'ile. "Kuidas saate teha sarnaseid katseid tuhandekilomeetrise vahemaa skaalal ja optiliste elementide vibreerimisel ja liikumisel kiirusel 8 kilomeetrit sekundis?"
Uues uuringus kasutasid teadlased takerdunud footonipaaride edastamiseks Hiinas eelmisel aastal käivitatud satelliiti Micius. Satelliidil on ülikergesse takerdunud footoniallikas ning ülitäpne omandamis-, osutamis- ja jälgimissüsteem (APT), mis kasutab saatja ja vastuvõtja rivistamiseks satelliidil ja kolmes maapealses jaamas beacon-lasereid.
Kui footonid maapealsetesse jaamadesse jõudsid, viisid teadlased läbi katsed ja kinnitasid, et osakesed olid ikkagi takerdunud, hoolimata sellest, et nad olid läbinud vahemikus 994 miili kuni 1490 miili (1600 ja 2400 km), sõltuvalt sellest, millises tema orbiidi etapis satelliit asus.
Maa atmosfääri kõige madalamad 6 miili (10 km) on piisavalt paksud, et põhjustada footonite olulist häirimist, ütlesid teadlased. See tähendab, et nende ühenduse üldine efektiivsus oli teadlaste sõnul tunduvalt kõrgem kui varasematel meetoditel takerdunud footonite jaotamiseks kiudoptiliste kaablite kaudu.
"Oleme juba saavutanud kahe footoni sidumise levitamise tõhususe, mis on triljon korda tõhusam kui parimate telekommunikatsioonikiudude kasutamisel," ütles Pan. "Oleme teinud midagi, mis ilma satelliidita oli täiesti võimatu."
Lisaks katsete läbiviimisele on sellist tüüpi süsteemi üheks potentsiaalseks kasutuseks "kvantvõtme jaotamine", kus kvantkommunikatsioonisüsteeme kasutatakse krüpteerimisvõtme jagamiseks kahe osapoole vahel, mida on kasutajate hoiatamiseta võimatu pealt kuulata. Asjatundjate sõnul on see süsteem korrektse krüpteerimisalgoritmiga ühendamata, isegi kui krüptitud sõnumid saadetakse tavaliste sidekanalite kaudu.
Suurbritannia Oxfordi ülikooli kvantfüüsika professor Artur Ekert kirjeldas esimesena, kuidas takerdunud footoneid saab krüptimisvõtme edastamiseks kasutada.
"Hiina eksperiment on üsna tähelepanuväärne tehnoloogiline saavutus," rääkis Ekert Live Science'ile. "Kui 1991. aastal, kui olin Oxfordi tudeng, pakkusin välja takerdunud põhinevat kvantvõtme jaotust, ei osanud ma oodata, et see on sellistesse kõrgustesse tõusnud!"
Praegune satelliit pole Pani sõnul siiski praktiliselt kvantkommunikatsioonisüsteemides kasutamiseks valmis. Ühe jaoks tähendab see, et selle suhteliselt madal orbiit tähendab, et iga maapealne jaam on päevas kaetud vaid umbes 5 minutit ja kasutatud footonite lainepikkus tähendab, et see suudab töötada ainult öösel, ütles ta.
Leviala ja piirkondade suurendamine tähendab uute kõrgema orbiidiga satelliitide käivitamist, ütles Pan, kuid see nõuab suuremaid teleskoope, täpsemat jälgimist ja kõrgemat ühenduse tõhusust. Ta lisas, et päevases tööoperatsioonis tuleb telekommunikatsiooni lainepikkustes kasutada footoneid.
Kuid kui tulevaste kvantkommunikatsioonivõrkude arendamine nõuab märkimisväärset tööd, ütles Kanada Waterloo ülikooli kvantarvutusinstituudi dotsent Thomas Jennewein, et Pan'i grupp on näidanud ühte võtmeelementi.
"Olen töötanud selles teadusuuringute liinis alates 2000. aastast ja uurinud kosmose kvantõimistamise eksperimentide sarnaseid rakendusi. Seetõttu võin väga kinnitada selle Hiina rühma üles näidatud julgust, pühendumust ja oskusi," rääkis ta Live Science'ile. .
