انقلابی در فیزیک کوانتومی؛ دانشمندان راهی برای ارسال سیگنال‌های کوانتومی از زمین به فضا یافتند

با گذر زمان، علم بارها نشان داده است که می‌تواند «غیرممکن» را به «ممکن» تبدیل کند. تازه‌ترین نمونه‌ی آن، مطالعه‌ای است که امکان ارسال سیگنال‌های کوانتومی از زمین به ماهواره را بررسی کرده و نشان می‌دهد این کار می‌تواند به ساخت شبکه‌های ارتباطی کوانتومی بزرگ‌تر و قدرتمندتر منجر شود.

کد خبر: ۸۹۴۳۱۳

تاریخ: ۱۹ آبان ۱۴۰۴ - ۲۲:۱۸

به گزارش انتخاب و به نقل از  sciencealert؛ تا امروز، ارسال ذرات نوری درهم‌تنیده از ماهواره‌ها به ایستگاه‌های زمینی ممکن بوده است؛ اما انتقال فوتون‌ها در جهت معکوس – یعنی از زمین به فضا – مدت‌ها غیرممکن تلقی می‌شد، زیرا حفظ پایداری سیگنال در این مسیر بسیار دشوار است.

اکنون پژوهشی جدید از گروهی در «دانشگاه فناوری سیدنی» (UTS) در استرالیا نشان می‌دهد این کار شدنی است. این مطالعه بر پایه‌ی مدلی دقیق بنا شده که از فرایندی به نام «تبادل درهم‌تنیدگی» استفاده می‌کند و در آن شرایط جوی محتمل، موقعیت ماهواره و تداخل ناشی از فوتون‌های سرگردان و نویز محیطی نیز لحاظ شده است.

فیزیک‌دان «سایمون دویت» از UTS می‌گوید:
«ایده این است که دو ذره‌ی نوری مجزا از دو ایستگاه زمینی متفاوت به سوی ماهواره‌ای که در فاصله‌ی حدود ۵۰۰ کیلومتری از زمین و با سرعتی حدود ۲۰ هزار کیلومتر در ساعت در مدار است، شلیک شوند؛ به‌گونه‌ای که در مسیر خود با دقتی بی‌نظیر به هم برسند و پدیده‌ی تداخل کوانتومی رخ دهد.»

او می‌افزاید:
«شگفت‌انگیز است که مدل ما نشان داد ایجاد چنین پیوندی از زمین به فضا شدنی است. در شبیه‌سازی خود، تأثیر نور پس‌زمینه‌ی زمین، بازتاب نور خورشید از سطح ماه، شرایط جوی و حتی انحراف‌های احتمالی در تنظیمات نوری را نیز در نظر گرفتیم.»

در این مدل، دو ایستگاه زمینی فوتون‌های درهم‌تنیده را به فضا می‌فرستند و برای شناسایی آن‌ها، فوتون‌ها باید تقریباً هم‌زمان به ماهواره برسند.

اما این دستاورد چرا اهمیت دارد؟
زیرا اینترنت کوانتومی نویدبخش شبکه‌هایی است که به‌صورت ذاتی غیرقابل هک‌اند: به محض اینکه شخص یا سیستمی غیرمجاز بخواهد داده‌ها را مشاهده کند، اطلاعات به‌طور خودکار از بین می‌رود. در این شبکه‌ها، ذرات درهم‌تنیده – مانند فوتون‌ها – برای تأیید صحت ارتباط در هر دو سر استفاده می‌شوند.

در حال حاضر، کلیدهای رمزنگاری محرمانه می‌توانند در ماهواره‌ها ایجاد و سپس به زمین ارسال شوند. حفظ پایداری فوتون‌ها در جهت رو‌به‌پایین آسان‌تر است، زیرا پراکندگی جوی در پایان مسیر رخ می‌دهد، نه در آغاز آن. افزون بر این، هدف‌گیری ایستگاه‌های زمینی ثابت آسان‌تر از نشانه‌گیری یک ماهواره‌ی در حال حرکت در فضاست.

با این حال، یک نقطه‌ضعف بزرگ وجود دارد: توان محدود ماهواره‌ها. در حالی‌که ایستگاه‌های زمینی انرژی فراوانی دارند، سپردن وظایف دشوارتر به زمین موجب می‌شود تعداد بسیار بیشتری از جفت‌های فوتونی درهم‌تنیده سریع‌تر تولید شوند و سپس برای توزیع بیشتر به ماهواره‌ها ارسال گردند.

دویت توضیح می‌دهد:
«ماهواره تنها به یک واحد نوری فشرده نیاز دارد تا فوتون‌های ورودی را با یکدیگر تداخل دهد و نتیجه را گزارش کند، نه اینکه خودش سخت‌افزار پیچیده‌ی کوانتومی برای تولید تریلیون‌ها فوتون در ثانیه داشته باشد. این کار هزینه و اندازه را کاهش می‌دهد و رویکرد را عملی‌تر می‌سازد.»

البته این سیستم محدودیت‌هایی هم دارد. هرچند از نظر فنی می‌تواند با دقت بالا کار کند (که برای اطمینان از صحت داده‌ها ضروری است)، اما فقط در شب و به دور از تداخل نور خورشید ممکن است – آن هم با تنظیم دقیق و کالیبراسیون مداوم. با این حال، همین گام نخست می‌تواند زمینه‌ساز پیشرفت‌های بعدی باشد.

شبکه‌ی ارتباطات کوانتومی کاملاً عملی هنوز فاصله‌ی زیادی تا واقعیت دارد، اما اکنون می‌دانیم که سامانه‌های دوطرفه حداقل از نظر نظری ممکن‌اند. پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند آزمایش‌های آینده می‌تواند با استفاده از گیرنده‌های نصب‌شده بر پهپادها یا بالون‌ها انجام شود.

دویت در پایان می‌گوید:
«در آینده، درهم‌تنیدگی کوانتومی به چیزی شبیه برق تبدیل خواهد شد؛ نوعی منبع نامرئی که سایر فناوری‌ها را تغذیه می‌کند. این انرژی تولید و منتقل می‌شود، بی‌آنکه کاربر متوجه آن باشد – ما فقط دستگاه‌هایمان را وصل می‌کنیم و از آن استفاده می‌کنیم.»