ماهواره کوانتومی

ماهواره کوانتومی چین «عمل شبح‌وار» در فاصله دورتری ثبت کرد

درهم تنیدگی کوانتومی، چیزی که فیزیک در آن غریب است، از این جهان به فضا خارج شده است. در یک مطالعه‌ای که نشان از تسلط رو به رشد چین در علوم فضا و جهان  کوانتوم است، تیمی از فیزیکدانان گزارش داده‌اند که ذرات کوانتومی که به طرز مرموز و ترسناکی درهم تنیده بودند از یک ماهواره به ایستگاه‌های زمینی که ۱۲۰۰ کیلومتر از هم فاصله داشتند فرستاده شده است، فاصله‌ای که رکوردهای قبلی را می‌شکند. این نتیجه‌ یک گام بزرگ برای شبکه‌های ارتباطی فوق‌العاده امن، و در نهایت، اینترنت کوانتومی مبتنی بر فضا است.

«این یک دستاورد بسیار بسیار بزرگ است،» این گفته توماس جنوین، فیزیکدانی در دانشگاه واترلو در کانادا است. »آنها با ایده بزرگ شروع کرده و انجام دادنش را مدیریت کردند.»

درهم تنیدگی شامل گذاشتن اشیا در برزخ عجیب و غریبی از سوپر ترکیب‌های کوانتومی است، جایی که ویژگی‌های کوانتومی اشیا در یک زمان جندین حالت را اشغال می‌کند: مانند گربه شرودینگر، که در زمان یکسانی مرده و زنده است. سپس این حالت‌های کوانتومی بین اشیاهای مختلف به اشتراک گذاشته شده هستند. فیزیکدانان ذرات در هم‌تنیده‌ای چون الکترون‌ها و فوتون‌ها، و همچنین ابزارهای بزرگتر مانند مدارهای الکتریکی ابر رسانا دارند.

از نظر تئوری، حتی اگر اشیا درهم تنیده جدا باشند، حالت‌های کوانتومی متزلزل آنها باید تا زمانی که یکی از آنها اندازه‌گیری و یا مختل شود مرتبط باقی بماند. اندازه‌گیری فورا حالت دو شی دیگر را تعیین می‌کند، مهم نیست که چقدر از هم دور باشند. این ایده به قدری خلاف از انتظار است که آلبرت اینشتین به مسخره از آن به عنوان «عمل شبح‌واری در یک فاصله» یاد می‌کند.

این ایده از ۱۹۷۰ شروع شد، زمانی که فیزیکدانان آزمون تاثیر روی افزایش فاصله را شروع کردند. در ۲۰۱۵، در یکی از پیچیده‌ترین این آزمون‌ها، که با اندازه‌گیری الکترون در هم تنیده شده در ۱.۳ کیلومتری درگیر بود، بار دیگر نشان داده شد که عمل شبح‌وار واقعی است.

فراتر از نتیجه اساسی، چنین آزمونی به ارتباطات ضد هک اشاره می‌کند. رشته‌های طولانی فوتون‌های در هم تنیده شده که بین محل‌های با فاصله به اشتراک گذاشته شده‌اند، می‌توانند «کلیدهای کوانتومی» باشند که ارتباطات را ایمن می‌سازند. هر شخصی که تلاش برای استراق سمع یک پیام کوانتومی رمز گذاری شده می‌کند این کلید به اشتراک گذاشته شده را مختل می‌سازد که موجب می‌شود هر شخصی از به خطر افتادن کانال آگاه شود.

اما فوتون‌های ‌در هم تنیده به سرعت هنگامی که از هوا و یا فیبرهای نوری گذر می‌کنند تنزل می‌یابند. تا کنون، دورترین کلید کوانتومی فرستاده شده چند صد کیلومتر بوده است. «تکرارگرهای کوانتوم» که اطلاعات کوانتومی را مجددا در شبکه پخش می‌توانند غنای شبکه را افزایش دهند، اما آنها هنوز بلوغ نیافته‌اند.  بسیاری از فیزیکدانان آرزو دارند به جای استفاده از ماهواره‌هاه برای فرستادن اطلاعات کوانتومی از طریق فضای نزدیک به خلا از این رهیافت استفاده کنند. «زمانی که شما ماهواره‌هایی دارید که سیگنال‌های کوانتومی شما در این دنیا توزیع می‌کنند، شما آن کار را کردید،» این گفته ورنویکا فرناندز مارمول، فیزیکدانی در شورای پژوهش ملی اسپانیا در مادرید است. «شما با تمام مشکات از دست دادن فیبرها درگیر هستید.»

درهم‌تنیدگی کوانتومی

جیان-وی پان، فیزیکدانی در دانشگاه علوم فناوری چین در شانگهای، این شانس را به دست آورد تا در زمانی که ماهواره میسیوس (گرفته شده از نام یک فیلسوس چینی باستان) در آگوست ۲۰۱۶ راه‌‌اندازی شد به آزمون این ایده بپردازد. این ماهواره اساس برنامه  ۱۰۰ میلیون دلاری برنامه آزمون‌های کوانتومی در مقیاس فضایی، یکی از چندین ماموریتی است که چین امیدوار است با آنها قدرت علوم فضاییش را از آمریکا و اروپا بالاتر ببرد.

در آزمون اولیه‌شان، این تیم یک شعاع لیزر به یک کریستال نور-تغییر در ماهواره فرستاد. این کریستال، جفت فوتون‌های در هم تنیده شده را بیرون راند به گونه‌ای که حالت‌ها دو قطبی آنها زمانی که یکی اندازه‌گیری می‌شد متضاد بود. این جفت فوتون‌های مجزا شده، به ایستگاه‌هایی در دلینگها و لیجیانگ، که ۱۲۰۰ کیلومتر از هم فاصله داشتند فرستاده شد. هر دو ایستگاه در کوه‌های تبت هستند، که در آنها مقدا در حال کاهش هوا فوتون‌‌ها را از عبور کردن می‌شکند. این تیم، این هفته در ژورنال ساینس گزارش داد که به طور همزمان بیش از ۱۰۰ جفت فوتون را اندازه‌گیری کرده‌اند. آنها دریافتند که فوتون‌ها بیش از آنچه که انتظار می‌رفت با هم متضاد هستند. در نتیجه عمل شبح‌وار با ثبت یک رکورد دورتر بار دیگر اثبات شد (اگرچه آزمون ۲۰۱۵ در یک فاصله کوتاه‌تر، دقیق‌تر بود.»

پان انتظار دارد مرکز علوم فضایی چین ماهواره‌هایی با قدرت بیشتر و اشعه‌های پاک‌تر راه‌اندازی کند که حتی زمانی که خورشید در حال درخشیدن باشند بتواند آنها را کشف کند. «میسیوس تنها در شب کار می‌کند) «در ۵ سال بعدی ما برای راه‌اندازی بعضی از ماهواره‌های کوانتومی واقعا عملی برنامه‌ریزی می‌کنیم،» او گفت. در این میان او قصد دارد با استفاده از میسیوس کلیدهای کوانتومی را به دستگاه‌های زمینی چینی توزیع کند، که نیاز به رشته‌های طولانی‌تر فوتون‌ها و گام‌های اضافی دارد. سپس او می‌خواهد توزیع کوانتومی بین‌الملی بین‌ ایستگاه‌ها در چین و اتریش برا نشان دهد، که نیاز به نگه داشتن نیمی از جفت فوتون‌های درهم تنیده روی بورد تا زمانی که ایستگاه زمینی اتریشی درون دید این ماهواره ظاهر شود است. او همچنین قصد دارد حالت یک کوانتوم را از رصدخانه تبت به این ماهواره دوربری کند (روشی برای انتقال اطلاعات کوانتومی رمزگذاری شده بدون انتقال یک شی فعال.)

دیگر کشورها نسبت به انجام آزمایش‌های کوانتوم بسیار کند هستند. پان با فیزیکدانانی از اتریش برای تبادل اطلاعات میان دو ماهواره تیم شده است، و آژانس فضایی کانادا اخیرا اعلام کرده که برای ماهواره کوانتومی کوچک بودجه‌ای در نظر دارد. تیم‌های اروپا و ایالت متحده نیز پیشنهاد دادند که ابزارهای کوانتومی را در ایستگاه‌های فضایی بین‌المللی قرار دهند. یکی از اهداف بررسی این قضیه است که آیا درهم‌ تنیدگی توسط زمینه گرانشی در حال تغییر تاثیر می‌پذیرد، این کار با مقایسه فوتونی که در محیط گرانشی ضعیف‌تر مدار  با یک شریک درهم تنیده ارسالی به زمین انجام می‌شود، این را آنتون زیلینگر، فیزیکدانی در انجمن علوم اتریش در وین گفت. «آزمون‌های متعددی برای آزمون ارتباط میان گرانش و فیزیک کوانتوم وجود ندارد.»

این تاثیرات فراتر از رکورد شکنی‌ها است: روزی شبکه‌ای از ماهواره‌ها می توانند به کامپیوترها کوانتومی طراحی شده در آزمایشگا‌ه‌های سراسر دنیا متصل شوند. مقاله پان «نشان می‌دهد که چین ابعاد اصلی را ساخته است،» زلینیگر گفت، کسی که آژانس فضایی اروپا را برای راه‌اندازی ماهواره کوانتومی تحت فشار قرار داده بود. «من به شخصه معتقدم که اینترنت آینده مبتنی بر این اجزای کوانتومی خواهد بود.»

دیدگاه‌تان را بنویسید: