دانشمندان بر این باور بودند که برقراری لینک صعودی کوانتومی به ماهواره غیرممکن است – تا کنون
در طول زمان، علم به‌صورت مستمر ناممکن را به ممکن تبدیل می‌کند؛ تازه‌ترین نمونه این‌گونه، مطالعه‌ای است که امکان ارسال سیگنال‌های کوانتومی از زمین به ماهواره را بررسی می‌کند و می‌تواند راه را برای شبکه‌های ارتباطی کوانتومی بزرگ‌تر و قدرتمندتر هموار سازد.
در حال حاضر می‌توان ذرات نور درهم‌تنیده را از ماهواره‌ها به سمت ایستگاه‌های زمینی ارسال کرد، اما ایده انتقال فوتون‌ها در جهت مقابل – یعنی از زمین به فضا – به‌دلیل دشواری‌های حفظ پایداری سیگنال، پیش‌تر غیرممکن تصور می‌شد.
این مطالعه تازه، که توسط تیمی از دانشگاه فناوری سیدنی (UTS) در استرالیا انجام شده، نشان می‌دهد که این کار می‌تواند انجام شود. این پژوهش بر پایهٔ مدل دقیقی استوار است که از تعویض درهم‌تنیدگی استفاده می‌کند و شرایط جوی محتمل، موقعیت ماهواره و تداخل فوتون‌های پراکنده و نویز را در نظر می‌گیرد.
“هدف این است که دو ذرهٔ نور تک‌تک را از دو ایستگاه زمینی جداگانه به سمت ماهواره‌ای که ۵۰۰ کیلومتر (۳۱۰ مایل) بالای زمین در مدار می‌چرخد و با سرعت حدود ۲۰٬۰۰۰ کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند، پرتاب کنیم تا به‌طور کامل با یکدیگر برخورد کنند و تداخل کوانتومی رخ دهد”، می‌گوید فیزیک‌دان UTS، سیمون دیویت.
“به‌طور شگفت‌انگیزی، مدل‌سازی ما نشان داد که یک لینک صعودی امکان‌پذیر است. ما عوامل واقعی مانند نور پس‌زمینهٔ زمین، بازتاب نور خورشید از ماه، اثرات جوی و عدم تطابق کامل سیستم‌های نوری را در نظر گرفتیم”، می‌گوید دیویت.
پس چرا این مهم است؟ اینترنت کوانتومی وعده شبکه‌هایی را می‌دهد که از نظر طراحی غیرقابل هک هستند: به محض اینکه افراد غیرمجاز حتی به داده‌ها نگاهی بیندازند، اطلاعات به‌سرعت مخدوش می‌شوند. ذرات درهم‌تنیده‌ای مانند فوتون‌ها برای تأیید ارتباط در هر دو طرف استفاده می‌شوند.
امروزه، این کلیدهای محرمانه می‌توانند بر روی ماهواره‌ها تولید شوند و سپس به سمت زمین ارسال شوند. نگه‌داشتن فوتون‌ها در جهت نزولی آسان‌تر است، زیرا پراکندگی جوی در انتهای انتقال رخ می‌دهد نه در ابتدای آن. هدف‌گیری به‌سوی اهداف بزرگ‌تر و ثابت‌تر روی زمین نسبت به هدف‌گیری یک ماهوارهٔ در حال حرکت در فضا راحت‌تر است.
معضل بزرگ، انرژی است: ماهواره‌ها انرژی کمی دارند. در مقابل، ایستگاه‌های زمینی توان بیشتری دارند. انجام کارهای پرتقاضا روی زمین به این معنی است که می‌توان تعداد زیادی جفت فوتون درهم‌تنیده را سریع‌تر تولید کرد و سپس به ماهواره‌ها برای توزیع بیشتر ارسال کرد.
“ماهواره فقط به یک واحد نوری فشرده برای تداخل فوتون‌های ورودی و گزارش نتایج نیاز دارد”، می‌گوید دیویت، “به‌جای سخت‌افزار کوانتومی برای تولید تریلیون‌ها و تریلیون فوتون در هر ثانیه که برای غلبه بر تلفات به‌سوی زمین لازم است، که این امکان یک لینک کوانتومی با پهنای باند بالا را فراهم می‌کند. این امر هزینه‌ها و ابعاد را کاهش می‌دهد و روش را عملی‌تر می‌سازد.”
در اینجا برخی نکات محدودیت وجود دارد. اگرچه سیستم می‌تواند از نظر فنی با سطح بالایی از دقت (که اطمینان از قابلیت اطمینان داده‌ها را می‌دهد) کار کند، اما فقط در شب و در دوری از تداخل نور خورشید قابل‌استفاده است – و حتی در آن حالت نیز فقط با تنظیمات دقیق می‌تواند عملکرد داشته باشد. اما این می‌تواند زمینه‌ای برای پیشرفت باشد.
یک شبکهٔ کامل ارتباطات کوانتومی هنوز راهی طولانی در پیش دارد، اما اکنون می‌دانیم که سیستم‌های دو‑طرفه حداقل از نظر نظری امکان‌پذیر هستند. محققان پیشنهاد می‌کنند که آزمایش‌های واقعی آینده می‌توانند با استفاده از گیرنده‌های نصب‌شده بر روی پهپادها یا بالون‌ها انجام شوند.
“در آینده، درهم‌تنیدگی کوانتومی شبیه برق خواهد شد: کالایی که دربارهٔ آن می‌گوییم و که انرژی سایر چیزها را تأمین می‌کند”، می‌گوید دیویت.
“این به‌گونه‌ای تولید و منتقل می‌شود که معمولاً برای کاربر نامرئی است – ما فقط وسایل‌مان را وصل می‌کنیم و از آن استفاده می‌کنیم.”
این پژوهش در Physical Review Research منتشر شده است.