Китайский спутник разделил пары «запутанных фотонов» и передал их на отдельные наземные станции на расстоянии 745 миль (1200 км), разбив предыдущий рекорд расстояния для такого подвига и открыв новые возможности в квантовой связи.
В квантовой физике, когда частицы взаимодействуют друг с другом определенным образом, они «запутываются». По сути, это означает, что они остаются связанными, даже когда они разделены большими расстояниями, так что действие, выполняемое над одним, влияет на другое.
В новом исследовании, опубликованном сегодня (15 июня) в журнале Science, исследователи сообщают об успешном распределении запутанных пар фотонов в двух точках Земли, разделенных 747,5 милями (1 203 км).
Ученые утверждают, что квантовая запутанность имеет интересные приложения для проверки фундаментальных законов физики, а также для создания исключительно безопасных систем связи. Это связано с тем, что квантовая механика утверждает, что измерение квантовой системы неизбежно нарушает ее, поэтому любую попытку подслушать невозможно скрыть.
Но трудно распределить запутанные частицы - обычно фотоны - на большие расстояния. При движении по воздуху или по оптоволоконным кабелям окружающая среда мешает частицам, поэтому при больших расстояниях сигнал затухает и становится слишком слабым, чтобы быть полезным.
В 2003 году Пань Цзяньвэй, профессор квантовой физики в Университете науки и технологии Китая, начал работу над спутниковой системой, предназначенной для излучения запутанных фотонных пар на наземные станции. Идея заключалась в том, что, поскольку большая часть пути частицы будет проходить через космический вакуум, эта система будет вносить значительно меньше помех окружающей среде.
«Многие тогда думали, что это сумасшедшая идея, потому что уже очень сложно проводить сложные квантово-оптические эксперименты в хорошо экранированном оптическом столе», - сказал Пан. «Так как же вы можете проводить аналогичные эксперименты в масштабе расстояния в тысячи километров, когда оптические элементы вибрируют и движутся со скоростью 8 километров в секунду?»
В новом исследовании ученые использовали китайский спутник Micius, запущенный в прошлом году, для передачи запутанных фотонных пар. Спутник оснащен сверхярким запутанным источником фотонов и высокоточной системой сбора, наведения и отслеживания (APT), которая использует маяковые лазеры на спутнике и на трех наземных станциях для выравнивания передатчика и приемников.
Как только фотоны достигли наземных станций, ученые провели испытания и подтвердили, что частицы все еще были запутаны, несмотря на то, что они пробежали между 994 милями и 1490 милями (1600 и 2400 км), в зависимости от того, на какой стадии его орбиты находился спутник.
По словам ученых, только самые низкие 6 миль (10 км) атмосферы Земли являются достаточно толстыми, чтобы вызывать значительные помехи фотонам. Это означает, что, по мнению ученых, общая эффективность их связи была значительно выше, чем в предыдущих методах распределения запутанных фотонов по оптоволоконным кабелям.
«Мы уже достигли эффективности распределения двухфотонной запутанности в триллионе раз эффективнее, чем при использовании лучших телекоммуникационных волокон», - сказал Пан. «Мы сделали то, что было бы абсолютно невозможно без спутника».
Помимо проведения экспериментов, одно из потенциальных применений для этого типа системы - «распределение квантового ключа», в котором квантовые коммуникационные системы используются для обмена ключами шифрования между двумя сторонами, которые невозможно перехватить без предупреждения пользователей. В сочетании с правильным алгоритмом шифрования эта система не поддается взлому, даже если зашифрованные сообщения отправляются по обычным каналам связи, считают эксперты.
Артур Экерт, профессор квантовой физики в Оксфордском университете в Великобритании, был первым, кто описал, как запутанные фотоны могут использоваться для передачи ключа шифрования.
«Китайский эксперимент является довольно замечательным технологическим достижением», - сказал Экерт в интервью Live Science. «Когда я предлагал распределение квантовых ключей по запутанному принципу еще в 1991 году, когда я был студентом в Оксфорде, я не ожидал, что оно достигнет такой высоты!»
По словам Пан, нынешний спутник не совсем готов к использованию в практических квантовых системах связи. Во-первых, ее относительно низкая орбита означает, что каждая наземная станция имеет покрытие только в течение примерно 5 минут каждый день, а длина волны используемых фотонов означает, что она может работать только ночью, сказал он.
По словам Пэна, увеличение времени охвата и зон охвата будет означать запуск новых спутников с более высокими орбитами, но для этого потребуются большие телескопы, более точное отслеживание и более высокая эффективность связи. Дневная операция потребует использования фотонов на телекоммуникационных длинах волн, добавил он.
Но хотя развитие будущих сетей квантовой связи потребует значительной работы, Томас Дженневайн, доцент Института квантовых вычислений Университета Ватерлоо в Канаде, сказал, что группа Пана продемонстрировала один из ключевых строительных блоков.
«Я работал в этой области исследований с 2000 года и исследовал подобные реализации экспериментов по квантовому запутыванию из космоса, и поэтому я могу очень сильно засвидетельствовать смелость, самоотверженность и навыки, которые продемонстрировала эта китайская группа», - сказал он в интервью Live Science. ,
