Čínský satelit rozdělil dvojice „zamotaných fotonů“ a předal je odděleným pozemním stanicím ve vzdálenosti 745 mil (1200 kilometrů), čímž rozbil předchozí záznam o vzdálenosti pro takový výkon a otevřel nové možnosti v kvantové komunikaci.
V kvantové fyzice, když částice vzájemně reagují určitými způsoby, stávají se „zapletenými“. To v podstatě znamená, že zůstávají ve spojení, i když jsou od sebe vzdáleny velké vzdálenosti, takže akce prováděná na jednom ovlivňuje druhou.
V nové studii zveřejněné online dnes (15. června) v časopise Science vědci uvádějí úspěšnou distribuci spletených fotonových párů na dvě místa na Zemi oddělených 747,5 mil (1 203 km).
Kvantové zapletení má zajímavé aplikace pro testování základních fyzikálních zákonů, ale také pro vytváření výjimečně bezpečných komunikačních systémů, uvedli vědci. To proto, že kvantová mechanika tvrdí, že měření kvantového systému ji nevyhnutelně ruší, takže jakýkoli pokus o odposlech není možné skrýt.
Je však obtížné distribuovat zapletené částice - obvykle fotony - na velké vzdálenosti. Při cestování vzduchem nebo přes kabely s optickými vlákny ovlivňuje prostředí částice, takže při větších vzdálenostech se signál rozkládá a stává se příliš slabým na to, aby byl užitečný.
V roce 2003 zahájil Pan Jianwei, profesor kvantové fyziky na Čínské univerzitě vědy a technologie, práci na satelitním systému, který byl navržen tak, aby paprsek zamotaných fotonových svazků zamířil na pozemní stanice. Myšlenka byla taková, že protože většina cesty částic by probíhala ve vakuu vesmíru, tento systém by zavedl podstatně méně zásahů do životního prostředí.
"Mnoho lidí si tehdy myslelo, že je to bláznivý nápad, protože to bylo velmi náročné už dělat sofistikované experimenty s kvantovou optikou uvnitř dobře stíněné optické tabulky," řekl Pan Live Live. "Jak tedy můžete provádět podobné experimenty v měřítku tisíc kilometrů as tím, že optické prvky vibrují a pohybují se rychlostí 8 kilometrů za sekundu?"
V nové studii použili vědci k přenosu spletených fotonových párů čínský satelit Micius, který byl spuštěn v loňském roce. Satelit je vybaven ultralehkým zapleteným fotonovým zdrojem a vysoce přesným systémem získávání, polohování a sledování (APT), který využívá satelitní majáky na satelitu a na třech pozemních stanicích k seřazení vysílače a přijímače.
Jakmile fotony dorazily k pozemním stanicím, vědci provedli testy a potvrdili, že částice byly stále zapleteny, navzdory tomu, že uběhly mezi 994 mil a 1 490 mil (1 600 až 2 400 km), v závislosti na tom, v jaké fázi dráhy se satelit nachází.
Vědci uvedli, že pouze nejnižší vzdálenost 10 km zemské atmosféry je dostatečně silná, aby způsobila významné interference s fotony. Podle vědců to znamená, že celková účinnost jejich spojení byla mnohem vyšší než předchozí metody distribuce zapletených fotonů pomocí kabelů z optických vláken.
"Již jsme dosáhli účinnosti distribuce dvouletonového zapletení bilionkrát účinnější než použití nejlepších telekomunikačních vláken," řekl Pan. "Udělali jsme něco, co bylo naprosto nemožné bez satelitu."
Kromě provádění experimentů je jedním z potenciálních způsobů využití tohoto druhu systému „distribuce kvantového klíče“, ve kterém se kvantové komunikační systémy používají ke sdílení šifrovacího klíče mezi dvěma stranami, které nelze zachytit bez upozornění uživatelů. V kombinaci se správným šifrovacím algoritmem je tento systém neřešitelný, i když jsou zašifrované zprávy odesílány běžnými komunikačními kanály, uvedli odborníci.
Artur Ekert, profesor kvantové fyziky na Oxfordské univerzitě ve Spojeném království, byl první, kdo popsal, jak lze zamotané fotony použít k přenosu šifrovacího klíče.
"Čínský experiment je docela pozoruhodný technologický úspěch," řekl Ekert Live Science. "Když jsem v roce 1991, když jsem byl studentem v Oxfordu, navrhl rozdělení kvantových klíčů na základě zapletených, nečekal jsem, že bude povýšen na takové výšky!"
Současný satelit není zcela připraven k použití v praktických kvantových komunikačních systémech, nicméně, podle Pan. Jednak jeho relativně nízká oběžná dráha znamená, že každá pozemní stanice má pokrytí jen asi 5 minut každý den, a použitá vlnová délka použitých fotonů znamená, že může fungovat pouze v noci, řekl.
Posílení časů a oblastí pokrytí bude znamenat spuštění nových satelitů s vyššími oběžnými dráhami, řekl Pan, ale bude to vyžadovat větší dalekohledy, přesnější sledování a vyšší účinnost spojení. Denní provoz bude vyžadovat použití fotonů v telekomunikačních vlnových délkách, dodal.
Ale při rozvoji budoucích kvantových komunikačních sítí bude vyžadovat značnou práci, Thomas Jennewein, docent na University of Waterloo Institute for Quantum Computing v Kanadě, uvedl, že skupina Pan prokázala jeden z klíčových stavebních kamenů.
"V této linii výzkumu pracuji od roku 2000 a zkoumal podobné implementace kvantových experimentů z vesmíru, a proto mohu velmi svědčit o smělosti, obětavosti a dovednostech, které tato čínská skupina prokázala," řekl Live Science .
