Ķīniešu satelīts ir sadalījis "sapinušos fotonu" pārus un nosūtījis tos uz atsevišķām zemes stacijām 745 jūdžu (1200 kilometru) attālumā viens no otra, sagraujot iepriekšējo attāluma rekordu šādam varoņdarbam un paverot jaunas iespējas kvantu komunikācijā.
Kvantu fizikā, kad daļiņas noteiktā veidā mijiedarbojas savā starpā, tās kļūst "sapinušās". Tas būtībā nozīmē, ka tie paliek savienoti pat tad, ja tos atdala lieli attālumi, tā, ka darbība, kas tiek veikta vienam, ietekmē otru.
Jaunajā pētījumā, kas šodien (15. jūnijā) tika publicēts tiešsaistē žurnālā Science, pētnieki ziņo par veiksmīgu sapinušos fotonu pāru sadalījumu divās vietās uz Zemes, kuras atdala 747,5 jūdzes (1203 km).
Kvantu iesiešanai ir interesanti pielietojumi ne tikai fizikas pamatlikumu pārbaudei, bet arī ārkārtīgi drošu sakaru sistēmu izveidošanai, sacīja zinātnieki. Tas ir tāpēc, ka kvantu mehānika apgalvo, ka kvantu sistēmas mērīšana to neizbēgami traucē, tāpēc jebkurus noklausīšanās mēģinājumus nav iespējams slēpt.
Tomēr ir grūti izplatīt sapinušās daļiņas - parasti fotonus - lielos attālumos. Ceļojot pa gaisu vai pa optisko šķiedru kabeļiem, vide traucē daļiņām, tāpēc, veicot lielākus attālumus, signāls samazinās un kļūst pārāk vājš, lai būtu noderīgs.
2003. gadā Ķīnas Zinātnes un tehnoloģijas universitātes kvantu fizikas profesors Pan Jianwei sāka darbu ar satelītu balstītu sistēmu, kas izstrādāta, lai starojošos fotonu pārus nodotu līdz zemes stacijām. Ideja bija tāda, ka, tā kā lielākā daļa daļiņu ceļojuma notiks caur kosmosa vakuumu, šī sistēma ieviesīs ievērojami mazāk traucējumus apkārtējā vidē.
"Daudzi cilvēki toreiz uzskatīja par traku ideju, jo tas jau bija ļoti sarežģīts, veicot jau sarežģītus kvantu optikas eksperimentus labi ekranēta optiskā galda iekšpusē," Pan pastāstīja Live Science. "Tātad, kā jūs varat veikt līdzīgus eksperimentus tūkstoš kilometru attāluma mērogā un ar optiskajiem elementiem vibrējot un pārvietojoties ar ātrumu 8 kilometri sekundē?"
Jaunajā pētījumā pētnieki izmantoja Ķīnas Micius satelītu, kas tika palaists pagājušajā gadā, lai pārraidītu sapinušos fotonu pārus. Satelītam ir ultragaismā iespiests fotonu avots un augstas precizitātes iegūšanas, rādīšanas un izsekošanas (APT) sistēma, kas izmanto bākas lāzerus satelītā un trīs zemes stacijās, lai sakārtotu raidītāju un uztvērēju.
Kad fotoni sasniedza zemes stacijas, zinātnieki veica testus un apstiprināja, ka daļiņas joprojām ir iepinušās, neskatoties uz to, ka tās ir nobraukušas no 994 jūdzēm līdz 1490 jūdzēm (1600 un 2400 km), atkarībā no tā, kurā tā orbītas stadijā satelīts bija novietots.
Tikai zemākās 6 jūdžu (10 km) Zemes atmosfēra ir pietiekami bieza, lai radītu nozīmīgus traucējumus fotoniem, sacīja zinātnieki. Tas nozīmē, ka viņu savienojuma kopējā efektivitāte bija ievērojami augstāka nekā iepriekšējās metodes, kas saistītas ar sapinušos fotonu izplatīšanu caur optiskās šķiedras kabeļiem, norāda zinātnieki.
"Mēs jau esam panākuši divu fotonu iesaistes izplatīšanas efektivitāti, kas ir triljonu reižu efektīvāka nekā labāko telekomunikāciju šķiedru izmantošana," sacīja Pans. "Mēs esam izdarījuši kaut ko tādu, kas bija absolūti neiespējami bez satelīta."
Papildus eksperimentu veikšanai viens no iespējamiem šāda veida sistēmas izmantošanas veidiem ir "kvantu atslēgu izplatīšana", kurā kvantu komunikāciju sistēmas tiek izmantotas, lai apmainītos ar šifrēšanas atslēgu starp divām pusēm, kuru nav iespējams pārtvert, nebrīdinot lietotājus. Eksperti sacīja, ka, apvienojot to ar pareizu šifrēšanas algoritmu, šī sistēma nav sagraujama pat tad, ja šifrēti ziņojumi tiek sūtīti pa parastiem sakaru kanāliem.
Apvienotajā Karalistē Oksfordas Universitātes kvantu fizikas profesors Artūrs Ekerts bija pirmais, kurš aprakstīja, kā sapinušos fotonus var izmantot šifrēšanas atslēgas pārsūtīšanai.
"Ķīnas eksperiments ir diezgan ievērojams tehnoloģisks sasniegums," Ekerts stāstīja Live Science. "Kad 1991. gadā, kad biju students Oksfordā, es ierosināju sapīties balstītu kvantu atslēgu sadalījumu, es negaidīju, ka tā tiks pacelta līdz šādiem augstumiem!"
Pašreizējais satelīts nav gluži gatavs izmantošanai praktiskās kvantu sakaru sistēmās, tomēr, kā apgalvo Pan. Pirmkārt, tā salīdzinoši zemā orbītā nozīmē, ka katra zemes stacija katru dienu ir pārklājusies tikai apmēram 5 minūtes, un izmantoto fotonu viļņa garums nozīmē, ka tā var darboties tikai naktī, viņš sacīja.
Pārklājuma laika un apgabalu palielināšana nozīmēs jaunu satelītu palaišanu ar augstākām orbītām, sacīja Pans, taču tas prasīs lielākus teleskopus, precīzāku izsekošanu un augstāku saites efektivitāti. Dienas laikā darbībai būs nepieciešami fotoni telekomunikāciju viļņu garumos, viņš piebilda.
Kaut arī nākotnes kvantu komunikāciju tīklu attīstīšana prasīs ievērojamu darbu, Vankūlas Universitātes Kvantu skaitļošanas institūta Kanādā asociētais profesors Tomass Jenneveins sacīja, ka Panas grupa ir demonstrējusi vienu no galvenajiem pamatelementiem.
"Es esmu strādājis šajā pētniecības virzienā kopš 2000. gada un pētījis līdzīgas kvantu apvienošanās eksperimentu ieviešanu no kosmosa, un tāpēc es varu ļoti apliecināt drosmi, centību un prasmes, ko šī ķīniešu grupa ir parādījusi," viņš stāstīja Live Science. .
