Misja satelitarna toruje drogę niemożliwej do złamania komunikacji kwantowej

W nowym badaniu zaproponowano wykorzystanie satelitarnych źródeł pojedynczych fotonów jako sposobu bezpiecznego przesyłania informacji na duże odległości. Badania te nie tylko obiecują nieprzeniknioną komunikację, ale także otwierają drzwi do odkrywania podstawowych praw mechaniki kwantowej i głębszego zagłębiania się w efekty kwantowe w grawitacji.

„Najważniejszy wynik ta praca „Jest to uniwersalna architektura kwantowa, która wykorzystuje prawdziwe źródło pojedynczych fotonów, które jest kompaktowe dla satelitarnych sieci kwantowych” – powiedział Tobias Vogel, profesor inżynierii systemów komunikacji kwantowej na Uniwersytecie Friedricha Schillera w Niemczech i główny autor badania, powiedział w e-mail. „Chociaż ten projekt demonstruje zdolność naszego źródła fotonów do emitowania pojedynczych fotonów w przestrzeń, pozwala nam również przetestować podstawowy postulat mechaniki kwantowej”.

Mechanika kwantowa umożliwia bezpieczną komunikację

W dziedzinie nauk o komunikacji dystrybucja kluczy kwantowych stanowi szybko postępującą granicę. Umożliwia przesyłanie klucza szyfrującego pomiędzy dwiema stronami w sposób uniemożliwiający podsłuch.

„W celu dystrybucji klucza kwantowego szyfruje się informacje, aby… [quantum states of single photons]„Prawa fizyki kwantowej mówią, że nie da się skopiować tego pojedynczego fotonu, nie da się też odczytać informacji bez jej zmiany, co sprawia, że ​​podsłuchiwanie staje się mierzalne” – wyjaśnił Vogel.

Aby ta metoda szyfrowania była skuteczna, konieczne jest, aby fotony niosące informację były emitowane jedna po drugiej. Jeśli wiele fotonów zostanie wyemitowanych jednocześnie w tym samym stanie, przechwycenie przez podsłuchującego może pozostać niezauważone, zagrażając bezpieczeństwu. Jednak stworzenie pojedynczego fotonu odrębnego od spójnego źródła światła jest ogromnym wyzwaniem ze względu na fundamentalną naturę światła i ograniczenia mechaniki kwantowej.

Aby to osiągnąć, wykorzystuje się wiele zaawansowanych technologii, w tym kropki kwantowe i pojedyncze atomy. Vogel wskazuje jednak na materiał znany jako azotek boru, który emituje pojedyncze fotony z powodu defektów w swojej strukturze, działając jak zlokalizowane emitery kwantowe, jeśli jest odpowiednio manipulowany i wzbudzany.

„Sześciokątny azotek boru to dwuwymiarowy materiał składający się z azotu i boru” – powiedział Vogel. „Oryginalna struktura to zwykły dielektryk bez emisji (widocznego) światła”. Jednak jego wadliwa struktura prawdopodobnie będzie emitować po jednym fotonie na raz. Wynika to z wady wprowadzenia dodatkowych poziomów energii do struktury elektronowej kryształu, który może zostać wzbudzony tylko raz i dlatego też emituje tylko jeden foton na raz.

Satelity na ratunek

Jednak nawet w przypadku potężnego źródła pojedynczych fotonów, takiego jak azotek boru, przesyłanie pojedynczych fotonów na duże odległości za pomocą urządzeń naziemnych stanowi wyzwanie.

„Fakt, że żaden podsłuchujący nie jest w stanie skopiować kwantu [photon] Wyjaśnił, że stany oznaczają również, że nie możemy kopiować stanów kwantowych. „Oznacza to, że nie możemy wzmocnić sygnału przesyłanego na duże odległości, co wiąże się ze znacznym tłumieniem sygnału. Na przykład w światłowodach straty dramatycznie rosną wraz z odległością.

Aby przezwyciężyć ten problem, Vogel i jego zespół badaczy proponują rozmieszczenie pojedynczych źródeł fotonów na satelitach.

„Atmosfera staje się tak rzadka powyżej wysokości około 10 kilometrów, że nie ma już znaczących strat” – powiedział Vogel. „Dlatego za pomocą satelitów możemy przesyłać stany pojedynczych fotonów na znacznie większe odległości. Celem jest ostateczne osiągnięcie globalnego Internetu kwantowego.”

Zespół pracuje obecnie nad QUICKiem³ Misja kosmiczna, której celem jest sprawdzenie sprzętu potrzebnego do opracowania w przyszłości funkcjonalnej satelitarnej sieci kwantowej.

„szybko³ „Akronim Quantum photonIsChe Komponenten für sichhere Kommunikation mit Kleinsatelliten (Kwantowe komponenty fotoniczne do bezpiecznej komunikacji z małymi satelitami)” – powiedział Vogel. „Ma na celu opracowanie sprzętu potrzebnego do satelitarnej korelacji kwantowej. Ładunek składa się z systemu laserowego wzbudzenia, źródła pojedynczego fotonu opartego na defektze fluorescencyjnym w dwuwymiarowym sześciokątnym materiale z azotku boru, interferometru kwantowego i pojedynczego fotonu detektory.

„Po zintegrowaniu wszystkich komponentów na małym satelicie mamy QUICK³ Misja oceni jego funkcjonalność w przestrzeni kosmicznej na CubeSacie 3U (małym satelicie o pojemności około 3,5 litra).” „Konstelacja satelitów wyposażonych w sprzęt opracowany w ramach misji QUICK³ może zostać wykorzystana jako szkielet Internetu kwantowego. Pierwotnie start miał nastąpić w 2024 r., ale obecnie został przesunięty na 2025 r.

Choć szybko³ Chociaż oczekuje się, że misja dostarczy cenne dane, urządzenia, które zostaną przetestowane, nie będą od razu nadawały się do rzeczywistej komunikacji kwantowej. Na przykład detektor pojedynczych fotonów zostałby umieszczony wewnątrz satelity, a nie na Ziemi, co jest niezbędne w przypadku rzeczywistej sieci kwantowej.

Aby osiągnąć satelitarną komunikację kwantową, należy stawić czoła obecnym ograniczeniom sprzętowym. Na przykład źródło fotonów musi być mocniejsze i bardziej kierunkowe.

„Naszą misją jest głównie demonstracja technologii i testowanie komponentów” – wyjaśnił Vogel. „Satelita nie może jeszcze ustanowić prawdziwego łącza dystrybucji klucza kwantowego. Po powodzeniu misji planujemy kolejną misję, która zademonstruje dystrybucję klucza kwantowego pomiędzy satelitą a stacją naziemną przy użyciu naszych komponentów.

„Obecnie budujemy lokalną sieć kwantową na Politechnice Monachium, ograniczającą się głównie do obszaru metropolitalnego Monachium” – dodał. „Podobne sieci powstają obecnie na całym świecie, na przykład w innych miastach w Niemczech, Singapurze, Chinach, USA, Kanadzie i Wielkiej Brytanii, żeby wymienić tylko kilka. Za pomocą naszego satelity możemy połączyć naszą sieć lokalną z innymi sieci lokalne i stanowią kamień milowy w rozwoju Internetu.” Quantum.

Poznaj podstawy mechaniki kwantowej

Oprócz ułatwiania bezpiecznej i szybkiej komunikacji³ Daje wyjątkową okazję do studiowania podstawowych zasad mechaniki kwantowej poprzez badanie procesów związanych z emisją, propagacją i detekcją pojedynczych fotonów w przestrzeni, porównując je z warunkami ziemskimi.

Badania te mogą również dać ważny wgląd w tajemnice grawitacji kwantowej, która do tej pory była trudna do zbadania ze względu na bardzo słabe oddziaływanie między cząstkami elementarnymi a polami grawitacyjnymi.

„Jednym z wielkich świętych Graali fizyki jest połączenie grawitacji i fizyki kwantowej, co jak dotąd okazało się trudne” – podsumował Vogel. „Niektóre z tych prób teorii grawitacji kwantowej przewidują modyfikację naszej standardowej teorii kwantowej. Zasadniczo to właśnie testujemy, przeprowadzając połączony eksperyment na Ziemi i na satelicie za pomocą interferometru kwantowego. Jeśli zachodzi sprzężenie do pola grawitacyjnego, nasze eksperymenty to wykażą.” »

Odniesienie: Najm Al-Ahmadi i in., szybko³ – Zaprojektuj satelitarne kwantowe źródło światła do komunikacji kwantowej i testów rozszerzonej teorii fizycznej w kosmosie, Zaawansowane technologie kwantowe (2024). doi: 10.1002/cytat.202300343

Źródło obrazu: Geralt na Pixabay