دانشمندان فکر می‌کردند ارتباط صعودی کوانتومی ماهواره‌ای غیرممکن است – اما اکنون
با گذشت زمان، علم اغلب ناممکن را به ممکن تبدیل می‌کند و تازه‌ترین نمونهٔ این روند، مطالعه‌ای جدید است که امکان ارسال سیگنال‌های کوانتومی از زمین به ماهواره را ارزیابی می‌کند – با این توانایی که می‌تواند شبکه‌های ارتباطی کوانتومی بزرگ‌تر و قدرتمندتر را ممکن سازد.
در حال حاضر می‌توان ذرات نور درهم‌تنیده را از ماهواره‌ها به ایستگاه‌های زمینی ارسال کرد، اما ایدهٔ انتقال فوتون‌ها به سمت دیگر – از زمین به فضا – به دلیل دشواری حفظ پایداری سیگنال، غیرممکن تصور می‌شد.
این مطالعهٔ جدید، توسط تیمی از دانشگاه فناوری سیدنی (UTS) در استرالیا، نشان می‌دهد که این کار می‌تواند انجام شود. این پژوهش بر پایهٔ یک مدل دقیق است که تعویض درهم‌تنیدگی (entanglement swapping) را به کار می‌گیرد و شرایط جوی محتمل، موقعیت ماهواره و تداخل فوتون‌های پراکنده و نویز را در نظر می‌گیرد.
«ایده این است که دو ذره نور منفرد را از دو ایستگاه زمینی جداگانه به ماهواره‌ای که در ارتفاع ۵۰۰ کیلومتر (۳۱۰ مایل) بالای زمین می‌چرخد و با سرعت حدود ۲۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند، پرتاب کنیم تا به‌دقت کافی به یکدیگر برسند و دچار تداخل کوانتومی شوند»، می‌گوید فیزیک‌دان UTS، شیمون داویت.
«به‌طور شگفت‌انگیزی، مدل‌سازی ما نشان داد که یک لینک صعودی قابل‌اجراست. ما اثرات دنیای واقعی مانند نور پس‌زمینه‌ای زمین، بازتاب نور خورشید از ماه، اثرات جوی و عدم تراز کامل سیستم‌های نوری را در نظر گرفتیم.»
پس چرا این موضوع مهم است؟ اینترنت کوانتومی وعدهٔ شبکه‌هایی را می‌دهد که به‌صورت ذاتی غیرقابل نفوذ هستند: به محض اینکه افراد غیرمجاز به داده‌ها نگاهی بیندازند، اطلاعات به‌سرعت مخدوش می‌شود. ذرات درهم‌تنیده‌ای مانند فوتون‌ها برای تأیید ارتباطات در هر دو انتها به کار می‌روند.
امروزه این کلیدهای محرمانه می‌توانند بر روی ماهواره‌ها تولید شوند و سپس به سمت زمین ارسال شوند. حفظ ثبات فوتون‌ها در جهت نزولی ساده‌تر است، زیرا پراکندگی جوی در انتهای انتقال رخ می‌دهد نه در آغاز. هدف‌گیری اهداف بزرگ‌تر و ثابت‌تر روی زمین نسبت به ماهواره‌ای که در فضا به‌صورت متحرک می‌چرخد، راحت‌تر است.
چالش اصلی، توان است: ماهواره‌ها انرژی کمی دارند. در عوض، ایستگاه‌های زمینی این محدودیت را ندارند. انجام وظایف پرتقاضاتر روی زمین به این معنی است که می‌توان تعداد بیشتری جفت فوتون درهم‌تنیده را سریع‌تر تولید کرد و سپس به ماهواره‌ها پرتاب کرد تا برای توزیع بیشتر استفاده شوند.
«ماهواره تنها به یک واحد اپتیک فشرده برای ترکیب فوتون‌های ورودی و گزارش نتیجه نیاز دارد»، می‌گوید داویت، «به‌جای سخت‌افزار کوانتومی که برای تولید تریلیون‌ها و تریلیون فوتون در هر ثانیه به‌منظور جبران تلفات به زمین لازم است، این واحد امکان ایجاد یک لینک کوانتومی با پهنای باند بالا را فراهم می‌کند. این رویکرد هزینه‌ها و ابعاد را پایین نگه می‌دارد و کاربردی‌تر می‌شود.»
در این زمینه برخی نکات مهم وجود دارد. اگرچه سیستم می‌تواند از نظر فنی با سطح بالایی از صحت (که اطمینان از قابلیت اطمینان داده‌ها را فراهم می‌کند) کار کند، اما فقط در شب و در دوری از تداخل نور خورشید قابل عملکرد است – و حتی در آن شرایط تنها با کالیبراسیون دقیق ممکن است. با این حال، این می‌تواند سکوی پیشرفت باشد.
شبکهٔ کامل ارتباطات کوانتومی هنوز دور از دسترس است، اما حالا می‌دانیم که سیستم‌های دوطرفه حداقل از نظر نظری امکان‌پذیرند. پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند آزمایش‌های عملی آینده می‌توانند با استفاده از گیرنده‌های نصب‌شده بر روی پهپادها یا بالون‌ها انجام شوند.
«در آینده، درهم‌تنیدگی کوانتومی شبیه به برق خواهد شد: کالایی که دربارهٔ آن صحبت می‌کنیم و دیگر وسایل را شارژ می‌کند»، می‌گوید داویت.
«این به‌گونه‌ای تولید و منتقل می‌شود که برای کاربر تقریباً نامرئی است – ما فقط وسایل خود را وصل می‌کنیم و از آن استفاده می‌کنیم.»
این پژوهش در نشریه Physical Review Research منتشر شده است.