Ο κβαντικός δορυφόρος της Κίνας επιτυγχάνει «απόκοσμη δράση σε απόσταση ρεκόρ».

Η κβαντική εμπλοκή - η φυσική στο πιο περίεργό της - έχει μετακινηθεί από αυτόν τον κόσμο και στο διάστημα. Σε μια μελέτη που δείχνει την αυξανόμενη κυριαρχία της Κίνας τόσο στον κβαντικό κόσμο όσο και στην επιστήμη του διαστήματος, μια ομάδα φυσικών αναφέρει ότι έστειλε παράξενα συνυφασμένα κβαντικά σωματίδια από έναν δορυφόρο σε επίγειους σταθμούς που απέχουν 1200 χιλιόμετρα, καταρρίπτοντας το προηγούμενο παγκόσμιο ρεκόρ. Το αποτέλεσμα είναι ένα σκαλοπάτι για εξαιρετικά ασφαλή δίκτυα επικοινωνίας και, τελικά, ένα κβαντικό διαδίκτυο βασισμένο στο διάστημα.

«Είναι ένα τεράστιο, σημαντικό επίτευγμα», λέει ο Thomas Jennewein, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Waterloo στον Καναδά. "Ξεκίνησαν με αυτή την τολμηρή ιδέα και τα κατάφεραν."

Η διαπλοκή περιλαμβάνει την τοποθέτηση αντικειμένων στο περίεργο κενό της κβαντικής υπέρθεσης, στην οποία οι κβαντικές ιδιότητες ενός αντικειμένου καταλαμβάνουν πολλαπλές καταστάσεις ταυτόχρονα:όπως η γάτα του Σρέντινγκερ, νεκρή και ζωντανή ταυτόχρονα. Στη συνέχεια, αυτές οι κβαντικές καταστάσεις μοιράζονται μεταξύ πολλών αντικειμένων. Οι φυσικοί έχουν μπλέξει σωματίδια όπως ηλεκτρόνια και φωτόνια, καθώς και μεγαλύτερα αντικείμενα όπως υπεραγώγιμα ηλεκτρικά κυκλώματα.

Θεωρητικά, ακόμη και αν τα μπερδεμένα αντικείμενα διαχωριστούν, οι επισφαλείς κβαντικές τους καταστάσεις θα πρέπει να παραμένουν συνδεδεμένες μέχρι να μετρηθεί ή να διαταραχθεί ένα από αυτά. Αυτή η μέτρηση καθορίζει αμέσως την κατάσταση του άλλου αντικειμένου, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά. Η ιδέα είναι τόσο αντιφατική που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν την κορόιδεψε ως "απόκοσμη δράση από απόσταση".

Από τη δεκαετία του 1970, ωστόσο, οι φυσικοί άρχισαν να δοκιμάζουν το φαινόμενο σε αυξανόμενες αποστάσεις. Το 2015, οι πιο εξελιγμένες από αυτές τις δοκιμές, οι οποίες περιελάμβαναν τη μέτρηση μπλεγμένων ηλεκτρονίων σε απόσταση 1,3 χιλιομέτρων, έδειξε για άλλη μια φορά ότι η τρομακτική δράση είναι πραγματική.

Πέρα από το θεμελιώδες αποτέλεσμα, τέτοια πειράματα υποδεικνύουν επίσης τη δυνατότητα επικοινωνιών που προστατεύονται από το hack. Οι μακριές σειρές μπερδεμένων φωτονίων, που μοιράζονται μεταξύ μακρινών τοποθεσιών, μπορεί να είναι «κβαντικά κλειδιά» που ασφαλίζουν τις επικοινωνίες. Όποιος προσπαθούσε να κρυφακούσει ένα μήνυμα με κβαντική κρυπτογράφηση θα διέκοπτε το κοινόχρηστο κλειδί, ειδοποιώντας όλους για ένα παραβιασμένο κανάλι.

Αλλά τα μπερδεμένα φωτόνια αποικοδομούνται γρήγορα καθώς περνούν από τον αέρα ή τις οπτικές ίνες. Μέχρι στιγμής, το πιο απομακρυσμένο που έχει στείλει κάποιος κβαντικό κλειδί είναι μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα. Οι "κβαντικοί επαναλήπτες" που αναμεταδίδουν κβαντικές πληροφορίες θα μπορούσαν να επεκτείνουν την εμβέλεια ενός δικτύου, αλλά δεν είναι ακόμη ώριμοι. Πολλοί φυσικοί έχουν ονειρευτεί αντί να χρησιμοποιούν δορυφόρους για να στείλουν κβαντικές πληροφορίες μέσω του σχεδόν κενού του διαστήματος. «Μόλις έχετε δορυφόρους που διανέμουν τα κβαντικά σήματα σας σε όλη την υδρόγειο, το έχετε κάνει», λέει η Verónica Fernández Mármol, φυσικός στο Εθνικό Ερευνητικό Συμβούλιο της Ισπανίας στη Μαδρίτη. "Έχετε ξεπεράσει όλα τα προβλήματα που έχετε με απώλειες σε ίνες."

Ο Jian-Wei Pan, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας στη Σαγκάη, είχε την ευκαιρία να δοκιμάσει την ιδέα όταν εκτοξεύτηκε ο δορυφόρος Micius, που πήρε το όνομά του από έναν αρχαίο Κινέζο φιλόσοφο, τον Αύγουστο του 2016. Ο δορυφόρος είναι το θεμέλιο του το πρόγραμμα Quantum Experiments in Space Scale, αξίας 100 εκατομμυρίων δολαρίων, μια από τις πολλές αποστολές που η Κίνα ελπίζει ότι θα την καταστήσει μια δύναμη της διαστημικής επιστήμης στο ίδιο επίπεδο με τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ευρώπη.

Στο πρώτο τους πείραμα, η ομάδα έστειλε μια ακτίνα λέιζερ σε έναν κρύσταλλο που αλλάζει το φως στον δορυφόρο. Ο κρύσταλλος εξέπεμπε ζεύγη φωτονίων που μπλέκονταν έτσι ώστε οι καταστάσεις πόλωσής τους να είναι αντίθετες όταν μετρήθηκε. Τα ζεύγη χωρίστηκαν, με τα φωτόνια να αποστέλλονται σε χωριστούς σταθμούς λήψης σε Delingha και Lijiang, σε απόσταση 1200 χιλιομέτρων. Και οι δύο σταθμοί βρίσκονται στα βουνά του Θιβέτ, μειώνοντας την ποσότητα αέρα που έπρεπε να διασχίσουν τα εύθραυστα φωτόνια. Αυτή την εβδομάδα στο Science , η ομάδα αναφέρει ότι μετρά ταυτόχρονα περισσότερα από 1000 ζεύγη φωτονίων. Βρήκαν ότι τα φωτόνια είχαν αντίθετες πολώσεις πολύ πιο συχνά από ό,τι θα περίμενε κανείς τυχαία, επιβεβαιώνοντας έτσι την τρομακτική δράση σε απόσταση ρεκόρ (αν και η δοκιμή του 2015 σε μικρότερη απόσταση ήταν πιο αυστηρή).

Η ομάδα χρειάστηκε να ξεπεράσει πολλά εμπόδια, συμπεριλαμβανομένου του να κρατήσει τις δέσμες φωτονίων εστιασμένες στους επίγειους σταθμούς καθώς ο δορυφόρος εκτοξεύτηκε στο διάστημα με σχεδόν 8 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. «Η επίδειξη και η επίδειξή του είναι ένα αρκετά δύσκολο έργο», λέει ο Alexander Ling, φυσικός στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης. «Είναι πολύ ενθαρρυντικό». Ωστόσο, ο Ling σημειώνει ότι η ομάδα του Pan ανέκτησε μόνο ένα περίπου φωτόνιο στα 6 εκατομμύρια που αποστέλλονται από τον δορυφόρο—πολύ καλύτερα από τα επίγεια πειράματα, αλλά ακόμα πολύ λίγα για πρακτική κβαντική επικοινωνία.

Ο Παν αναμένει από το Εθνικό Κέντρο Επιστημών Διαστήματος της Κίνας να εκτοξεύσει πρόσθετους δορυφόρους με ισχυρότερες και καθαρότερες ακτίνες που θα μπορούσαν να ανιχνευθούν ακόμη και όταν λάμπει ο ήλιος. (Ο Micius λειτουργεί μόνο τη νύχτα.) «Τα επόμενα 5 χρόνια σχεδιάζουμε να εκτοξεύσουμε μερικούς πραγματικά πρακτικούς κβαντικούς δορυφόρους», λέει. Εν τω μεταξύ, σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει το Micius για να διανείμει κβαντικά κλειδιά σε κινεζικούς επίγειους σταθμούς, κάτι που θα απαιτήσει μεγαλύτερες σειρές φωτονίων και πρόσθετα βήματα. Στη συνέχεια, θέλει να επιδείξει τη διηπειρωτική κατανομή κβαντικού κλειδιού μεταξύ σταθμών στην Κίνα και την Αυστρία, η οποία θα απαιτήσει να κρατάτε το μισό ενός μπερδεμένου ζεύγους φωτονίων στο σκάφος μέχρι να εμφανιστεί ο αυστριακός επίγειος σταθμός στη θέα του δορυφόρου. Σχεδιάζει επίσης να τηλεμεταφέρει μια κβαντική κατάσταση - μια τεχνική για τη μεταφορά πληροφοριών με κβαντική κωδικοποίηση χωρίς να μετακινηθεί ένα πραγματικό αντικείμενο - από ένα τρίτο Θιβετιανό παρατηρητήριο στον δορυφόρο.

Άλλες χώρες οδεύουν προς τα δικά τους κβαντικά διαστημικά πειράματα. Ο Ling συνεργάζεται με φυσικούς στην Αυστραλία για να στείλει κβαντικές πληροφορίες μεταξύ δύο δορυφόρων και η Καναδική Διαστημική Υπηρεσία ανακοίνωσε πρόσφατα χρηματοδότηση για έναν μικρό κβαντικό δορυφόρο. Ευρωπαϊκές και αμερικανικές ομάδες προτείνουν επίσης την τοποθέτηση κβαντικών οργάνων στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Ένας στόχος είναι να ελέγξουμε εάν η εμπλοκή επηρεάζεται από ένα μεταβαλλόμενο βαρυτικό πεδίο, συγκρίνοντας ένα φωτόνιο που παραμένει στο ασθενέστερο βαρυτικό περιβάλλον της τροχιάς με έναν εμπλεκόμενο εταίρο που στέλνεται στη Γη, λέει ο Anton Zeilinger, φυσικός στην Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών στη Βιέννη. . "Δεν υπάρχουν πολλά πειράματα που δοκιμάζουν τους δεσμούς μεταξύ της βαρύτητας και της κβαντικής φυσικής."

Οι συνέπειες ξεπερνούν τις επιδείξεις ρεκόρ:Ένα δίκτυο δορυφόρων θα μπορούσε κάποια μέρα να συνδέσει τους κβαντικούς υπολογιστές που σχεδιάζονται σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο. Το έγγραφο του Παν «δείχνει ότι η Κίνα λαμβάνει τις σωστές αποφάσεις», λέει ο Zeilinger, ο οποίος ώθησε την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία να εκτοξεύσει τον δικό της κβαντικό δορυφόρο. "Προσωπικά είμαι πεπεισμένος ότι το διαδίκτυο του μέλλοντος θα βασίζεται σε αυτές τις κβαντικές αρχές."