En kinesisk satellit har delt par "sammenfiltrede fotoner" og transmitteret dem til separate jordstationer med en afstand af 1.245 kilometer (1.200 kilometer) fra hinanden, hvorved den forrige afstandsrekord knuses for en sådan bedrift og åbner nye muligheder inden for kvantekommunikation.
I kvantefysik, når partikler interagerer med hinanden på bestemte måder, bliver de "sammenfiltrede". Dette betyder i det væsentlige, at de forbliver forbundet, selv når de adskilles med store afstande, så en handling, der udføres på den ene påvirker den anden.
I en ny undersøgelse, der blev offentliggjort online i dag (15. juni) i tidsskriftet Science, rapporterer forskere den vellykkede distribution af sammenfiltrede fotonpar til to steder på Jorden adskilt med 1 203 km (1 203 km).
Kvanteforviklinger har interessante applikationer til test af fysiske grundlæggende love, men også til at skabe usædvanligt sikre kommunikationssystemer, har forskere sagt. Det skyldes, at kvantemekanik siger, at måling af et kvantesystem uundgåeligt forstyrrer det, så ethvert forsøg på at aflyse er umulig at skjule.
Men det er svært at fordele sammenfiltrede partikler - normalt fotoner - over store afstande. Når man rejser gennem luft eller over fiberoptiske kabler, forstyrrer miljøet partiklerne, så ved større afstande henfalder signalet og bliver for svagt til at være nyttigt.
I 2003 startede Pan Jianwei, en professor i kvantefysik ved Kinas universitet for videnskab og teknologi, arbejdet med et satellitbaseret system designet til at stråle sammenfiltrede fotonpar ned til jordstationer. Idéen var, at fordi det meste af partiklernes rejse ville være gennem rumvakuumet, ville dette system indføre betydeligt mindre miljøforstyrrelser.
"Mange mennesker syntes derefter det var en skør idé, fordi det allerede var meget udfordrende at gøre de sofistikerede kvanteoptiske eksperimenter inde i et godt afskærmet optisk bord," fortalte Pan til Live Science. "Så hvordan kan du lave lignende eksperimenter i tusind kilometer afstand skala og med de optiske elementer vibrerende og bevæge sig med en hastighed på 8 kilometer i sekundet?"
I den nye undersøgelse brugte forskere Kinas Micius-satellit, der blev lanceret sidste år, til at transmittere de sammenfiltrede fotonpar. Satellitten er udstyret med en ultrabragt sammenfiltret fotonkilde og et APT-system med høj præcision, der anvender beaconlasere på satellitten og på tre jordstationer til at stille op på senderen og modtagerne.
Da fotonerne nåede jordstationerne, udførte videnskabsmændene tests og bekræftede, at partiklerne stadig var sammenfiltreret på trods af at de havde tilbagelagt mellem 994 miles og 1.490 miles (1.600 og 2.400 km), afhængigt af hvilket trin i dens bane satellitten var placeret på.
Kun de laveste 6 mil (Jordens atmosfære) er tyk nok til at forårsage betydelig interferens med fotonerne, sagde forskerne. Dette betyder, at den samlede effektivitet af deres link var langt højere end tidligere metoder til distribution af sammenfiltrede fotoner via fiberoptiske kabler, ifølge forskerne.
"Vi har allerede opnået en to-foton sammenfiltringsfordelingseffektivitet en billion gange mere effektiv end at bruge de bedste telekommunikationsfibre," sagde Pan. "Vi har gjort noget, der var absolut umuligt uden satellitten."
Bortset fra at udføre eksperimenter, er en af de potentielle anvendelser til denne form for system til "kvantetastfordeling", hvor kvante-kommunikationssystemer bruges til at dele en krypteringsnøgle mellem to parter, som det er umuligt at opfange uden at advare brugerne. Når dette system kombineres med den korrekte krypteringsalgoritme, er dette system ikke tilgængeligt, selvom krypterede meddelelser sendes over normale kommunikationskanaler, har eksperter sagt.
Artur Ekert, professor i kvantefysik ved University of Oxford i Storbritannien, var den første til at beskrive, hvordan sammenfiltrede fotoner kunne bruges til at transmittere en krypteringsnøgle.
"Det kinesiske eksperiment er en ganske bemærkelsesværdig teknologisk præstation," fortalte Ekert til Live Science. "Da jeg foreslog den sammenfiltrede baserede kvante nøglefordeling tilbage i 1991, da jeg var studerende i Oxford, forventede jeg ikke, at det ville blive hævet til sådanne højder!"
Ifølge den nuværende satellit er ikke helt klar til brug i praktiske kvante-kommunikationssystemer. For det første betyder dens relativt lave bane hver jordstation kun dækning i cirka 5 minutter hver dag, og bølgelængden af de anvendte fotoner betyder, at den kun kan fungere om natten, sagde han.
At øge dækningstider og områder vil betyde, at nye satellitter lanceres med højere kredsløb, sagde Pan, men dette vil kræve større teleskoper, mere præcis sporing og højere linkeffektivitet. Dagsoperation kræver brug af fotoner i telekommunikationsbølgelængderne, tilføjede han.
Mens udviklingen af fremtidige kvantumkommunikationsnetværk kræver betydeligt arbejde, sagde Thomas Jennewein, lektor ved University of Waterloos Institute for Quantum Computing i Canada, Pan's gruppe har demonstreret en af de vigtigste byggesten.
”Jeg har arbejdet i denne forskningslinje siden 2000 og undersøgt lignende implementeringer af kvanteforviklinger eksperimenter fra rummet, og jeg kan derfor meget attestere den dristighed, engagement og færdigheder, som denne kinesiske gruppe har vist,” sagde han til Live Science .
