قام قمر صناعي صيني بتقسيم أزواج من "الفوتونات المتشابكة" ونقلها إلى محطات أرضية منفصلة على مسافة 745 ميلاً (1200 كيلومتر) ، محطماً الرقم القياسي السابق للمسافة لمثل هذا الإنجاز وفتح إمكانيات جديدة في الاتصالات الكمومية.
في فيزياء الكم ، عندما تتفاعل الجسيمات مع بعضها بطرق معينة تصبح "متشابكة". هذا يعني بشكل أساسي أنها تظل متصلة حتى عند فصلها بمسافات كبيرة ، بحيث يؤثر الإجراء الذي يتم على أحدهما على الآخر.
في دراسة جديدة نشرت على الإنترنت اليوم (15 يونيو) في مجلة Science ، أفاد الباحثون عن التوزيع الناجح لأزواج الفوتون المتشابكة إلى موقعين على الأرض مفصولين بـ 747.5 ميل (1203 كم).
قال العلماء إن التشابك الكمي له تطبيقات مثيرة للاهتمام لاختبار القوانين الأساسية للفيزياء ، ولكن أيضًا لإنشاء أنظمة اتصال آمنة بشكل استثنائي. ذلك لأن ميكانيكا الكم تنص على أن قياس النظام الكمي يزعجه حتمًا ، لذلك فإن إخفاء أي محاولة للتنصت أمر مستحيل.
لكن من الصعب توزيع الجسيمات المتشابكة - الفوتونات عادة - على مسافات كبيرة. عند السفر عبر الهواء أو عبر كبلات الألياف الضوئية ، تتداخل البيئة مع الجسيمات ، وبالتالي مع مسافات أكبر ، تتحلل الإشارة وتصبح ضعيفة جدًا بحيث لا تكون مفيدة.
في عام 2003 ، بدأ بان جيانوي ، أستاذ فيزياء الكم في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين ، العمل على نظام قائم على الأقمار الصناعية مصمم لإرسال أزواج الفوتون المتشابكة إلى المحطات الأرضية. كانت الفكرة هي أنه نظرًا لأن معظم رحلة الجسيم ستكون من خلال فراغ الفضاء ، فإن هذا النظام سيؤدي إلى تدخل بيئي أقل بكثير.
وقال بان لـ Live Science: "اعتقد الكثير من الناس بعد ذلك أنها فكرة مجنونة ، لأنه كان من الصعب جدًا القيام بتجارب البصريات الكمية المعقدة داخل طاولة بصرية محمية جيدًا". "إذن كيف يمكنك إجراء تجارب مماثلة على مقياس مسافة ألف كيلومتر مع اهتزاز العناصر البصرية والتحرك بسرعة 8 كيلومترات في الثانية؟"
في الدراسة الجديدة ، استخدم الباحثون القمر الصناعي الصيني Micius ، الذي تم إطلاقه العام الماضي ، لإرسال أزواج الفوتون المتشابكة. يتميز القمر الصناعي بمصدر الفوتون المتشابك للغاية ، ونظام اكتساب وتوجيه وتتبع (APT) عالي الدقة يستخدم أشعة منارة على القمر الصناعي وفي ثلاث محطات أرضية لمحاكاة جهاز الإرسال والاستقبال.
بمجرد وصول الفوتونات إلى المحطات الأرضية ، أجرى العلماء اختبارات وأكدوا أن الجسيمات لا تزال متشابكة على الرغم من أنها سافرت بين 994 ميلًا و 1490 ميلًا (1600 و 2400 كم) ، اعتمادًا على مرحلة مدارها الذي تم وضع القمر الصناعي فيه.
قال العلماء إن أقل 6 أميال فقط (10 كيلومترات) من الغلاف الجوي للأرض تكون سميكة بما يكفي لإحداث تداخل كبير مع الفوتونات. وهذا يعني أن الكفاءة الإجمالية لارتباطها كانت أعلى بكثير من الطرق السابقة لتوزيع الفوتونات المتشابكة عبر كابلات الألياف الضوئية ، وفقًا للعلماء.
وقال بان "لقد حققنا بالفعل كفاءة توزيع متشابكة بفوتونين أكثر كفاءة تريليون مرة من استخدام أفضل ألياف الاتصالات". لقد قمنا بشيء مستحيل بدون القمر الصناعي ».
بصرف النظر عن إجراء التجارب ، فإن أحد الاستخدامات المحتملة لهذا النوع من النظام هو "التوزيع الكمي للمفاتيح" ، حيث يتم استخدام أنظمة الاتصال الكمي لمشاركة مفتاح التشفير بين طرفين والذي من المستحيل اعتراضه دون تنبيه المستخدمين. قال الخبراء إنه عند دمجها مع خوارزمية التشفير الصحيحة ، فإن هذا النظام غير قابل للكسر حتى إذا تم إرسال الرسائل المشفرة عبر قنوات الاتصال العادية.
كان أرتور إيكيرت ، أستاذ فيزياء الكم في جامعة أكسفورد في المملكة المتحدة ، أول من وصف كيف يمكن استخدام الفوتونات المتشابكة لإرسال مفتاح التشفير.
وقال إيكيرت لـ "لايف ساينس": "التجربة الصينية إنجاز تكنولوجي رائع". "عندما اقترحت توزيع المفتاح الكمي المتشابك في عام 1991 عندما كنت طالبًا في أكسفورد ، لم أكن أتوقع أن يتم رفعه إلى مثل هذه الارتفاعات!"
القمر الصناعي الحالي ليس جاهزًا تمامًا للاستخدام في أنظمة الاتصالات الكمية العملية ، على الرغم من ذلك ، وفقًا لـ Pan. من ناحية ، يعني مدارها المنخفض نسبيًا أن كل محطة أرضية لديها تغطية لحوالي 5 دقائق فقط كل يوم ، وأن الطول الموجي للفوتونات المستخدمة يعني أنها لا يمكنها العمل إلا في الليل.
وقال بان إن تعزيز أوقات التغطية والمناطق سيعني إطلاق أقمار صناعية جديدة ذات مدارات أعلى ، لكن هذا سيتطلب تلسكوبات أكبر وتتبعًا أكثر دقة وكفاءة أعلى في الارتباط. وأضاف أن العملية النهارية ستتطلب استخدام الفوتونات في أطوال موجات الاتصالات.
ولكن بينما يتطلب تطوير شبكات الاتصالات الكمومية المستقبلية عملًا كبيرًا ، قال توماس جينيوين ، الأستاذ المساعد في معهد جامعة واترلو للحوسبة الكمومية في كندا ، إن مجموعة بان أظهرت أحد اللبنات الأساسية.
وقال لعلوم الحياة "لقد عملت في هذا النوع من الأبحاث منذ عام 2000 وبحثت في تطبيقات مماثلة لتجارب التشابك الكمي من الفضاء ، وبالتالي يمكنني أن أشهد بشدة على الجرأة والتفاني والمهارات التي أظهرتها هذه المجموعة الصينية". .
