Ziemia i cztery planety wewnątrz czarnej dziury

Czas na kwantową rewolucję

Jak działa teleportacja kwantowa i jakie skutki będzie miało wykorzystanie stanów splątanych w komunikacji? Co udało się osiągnąć chińskim naukowcom i jakie to ma znaczenie dla nas?

17 sierpnia 2016 roku. Rakieta Chang Zheng-2D (Długi Marsz 2D) startująca z kosmodromu Jiuquan, zbudowanego pośród gorących piasków pustyni Gobi, wynosi w przestrzeń niezwykły ładunek: sztucznego satelitę Micius (z chińskiego: Mozi lub Mo Di). Obiekt opracowany przez naukowców z Chińskiej Akademii Nauk oraz Akademii Lotów Kosmicznych z Szanghaju (odpowiedzialnej za rakietę) to maszyna pod wieloma względami pionierska. To pierwszy element planowanej przez Państwo Środka kwantowej sieci komunikacyjnej i kryptograficznej.

Satelita Micius po krótkim locie trafia na heliosynchroniczną orbitę (czyli taką, na której umieszczony obiekt przelatuje nad konkretnym miejscem Ziemi zawsze o tym samym czasie miejscowym) z perygeum na wysokości 488 km i apogeum 584 km. W jego ładowni umieszczona jest niezwykłe dokładna aparatura pomiarowa zdolna do rejestracji stanu kwantowego cząstek elementarnych, a także szereg emiterów i transmiterów splątanych fotonów. Wyniesiony na orbitę Micius, nazwany tak na część chińskiego filozofa Mocjusza (Micius to jego imię w jęz. angielskim) żyjącego na przełomie V i IV w. p.n.e. cierpliwie oczekiwał na rozkazy z Ziemi.

W czerwcu 2017 roku taki rozkaz nadszedł, aparatura pomiarowa została uaktywniona a ze zlokalizowanej w tybetańskiej miejscowości Nqari, 4 km nad poziomem morza stacji nadawczej popłynął strumień fotonów, których splątane stany miały być odnotowane właśnie przez aparaturę umieszczoną na orbitującym ok. 500 km nad powierzchnią naszego globu satelicie Micius.

Naukowcom z Chin udała się nie lada sztuka: teleportowali oni kwantowo stan cząstki, dokładniej fotonu. Z Ziemi na orbitę naszej planety. Choć eksperymenty związane z teleportacją kwantową były wykonywane już w ubiegłym wieku, to po raz pierwszy udało nam się przenieść stan cząstki na tak dużą odległość (nawet 1400 km). Co nam to daje? Przede wszystkim nadzieję na błyskawiczną i w pełni bezpieczną, szyfrowaną komunikację. W tradycyjnej kryptografii zachowanie poufności wymienianej pomiędzy stronami informacji wymagało najpierw wymiany klucza szyfrującego za pomocą zaufanego kanału informacyjnego. Innymi słowy, strony komunikujące się za pomocą szyfru muszą najpierw uzgodnić klucz. Dzięki kwantowemu splątaniu problem bezpiecznego, zaufanego kanału przestaje mieć znaczenie, gdyż to właśnie sam stan splątany jest takim zabezpieczeniem. Próba nasłuchu teleportacji kwantowej jest z góry skazana na porażkę.

QUESS – wszystko zaczęło się w 2001 roku

Misja satelity Micius to część projektu znanego pod nazwą QUESS (Quantum Experiments at Space Scales). W 2001 roku dwie placówki naukowe: wiedeński Instytut Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej (IQOQI) oraz  Chińska Akademia Nauk (CAS) zaczęły niezależnie pracować nad systemem kwantowej komunikacji. Pierwszy znaczący rezultat osiągnęli austriaccy badacze, przesyłając stan kwantowy, czy raczej qubit na dystansie 144 km. Innymi słowy przeprowadzili właśnie teleportację kwantową na tę odległość. Qubit był przesłany za pomocą łącza światłowodowego, jednak do dalszych testów konieczne było przetestowanie kwantowej łączności satelitarnej. Austriacy próbowali zainteresować swoimi badaniami Europejską Agencję Kosmiczną (ESA), jednak ESA nie była zainteresowana partycypacją w tym eksperymencie. Wiedeńscy naukowcy zaczęli zatem szukać partnerów naukowych poza Europą. Znaleźli ich w Chinach. Chińska Akademia Nauk również pracująca nad kwantową komunikacją zaoferowała technologiczne i finansowe wsparcie w zakresie opracowania odpowiedniego satelity. Porozumienie naukowe sankcjonujące współpracę nad projektem QUESS podpisano w 2011 roku.

Chińczycy zbudowali ważącego 600 kg satelitę zasilanego przez dwa rozkładane panele solarne. Koszt całej misji, łącznie z samym satelitą wyniósł równowartość około 100 milionów dolarów. Satelita Micius będzie realizował swoje zadania orbitalne co najmniej przez dwa lata. W trakcie tego czasu przetestowane zostaną tak niezwykłe urządzenia jak m.in.: komunikator klucza kwantowego, kwantowy nadajnik splątany, splątane źródło fotonów i kwantowy procesor sterujący.

Cały program QUESS przewiduje przeprowadzenie następujących eksperymentów: transmisja, czy właściwie: teleportacja kwantowa z satelity do stacji naziemnej i vice versa oraz sprawdzenie globalnej komunikacji kwantowej z wykorzystaniem satelity jako kwantowego repeatera. Testy teleportacji kwantowej pomiędzy ziemią a satelitą i odwrotnie mamy już za sobą i wiemy, że zakończyły się one sukcesem. Przed nami jeszcze eksperyment mający potwierdzić skuteczność kwantowej łączności na odległość co najmniej 7500 km, pomiędzy chińską, a austriacką placówką badawczą.

Co właściwie zrobili Chińczycy?

schemat eksperymentu orbitalnej teleportacji kwantowej

Schemat ilustrujący przebieg chińskiego eksperymentu z teleportacją kwantową fotonów (fot. CAS)

Przyjrzyjmy się powyższemu schematowi objaśniającemu przebieg teleportacji fotonu na odległość do 1400 km. Tłem schematu (a) jest zdjęcie przedstawiające naziemną stację nadawczo-odbiorczą w Ngari w Tybecie. Ramka (b) pokazuje zespół urządzeń przygotowujących zestawy fotonów do teleportacji kwantowej. Ramka (c) to antena nadawcza przesyłająca sygnał do satelity (d), który dysponuje pokładowymi systemami umożliwiającymi analizę polaryzacji i odczyt stanu cząstek.

Odległość od satelity i tłumienie sygnału

Wykres obrazujący odległość stacji naziemnej od satelity i mierzone tłumienie przesyłanego sygnału (fot. CAS)

Powyższy wykres obrazuje tłumienie kwantowej transmisji podczas trwającego 350 sekund przelotu satelity nad chińską stacją nadawczą. Najwyższa zmierzona strata sygnału wynosi ~ 52 dB przy odległości 1400 km. Z kolei najmniejsza zmierzona strata sygnału to ~ 41 dB przy odległości ok. 500 km. Podczas chińskiego eksperymentu naukowcy przesłali do satelity miliony fotonów. Stan splątany udało się odczytać jedynie w 911 przypadkach, co oznacza, że właśnie tyle razy udało się przeprowadzić kwantową teleportację pomiędzy naziemną stacją nadawczą a chińskim satelitą.

No… super, ale czym jest teleportacja kwantowa?

Teleportacja kwantowa nie jest tym, do czego przyzwyczaiła nas literatura i kinematografia SF. Nie jesteśmy w stanie przenieść fizycznie jakiegokolwiek obiektu za pomocą teleportacji. Historie ze Star Treka i jemu podobnych filarów SF pozostają, póki co, w sferze fantazji. Jednak już samo przesłanie stanu cząstki elementarnej na znaczną odległość to imponujące osiągnięcie. Aby jednak w pełni pojąć jego znaczenie powinniśmy zacząć od wyjaśnienia pewnych kwestii. Czym właściwie jest, a czym nie jest teleportacja kwantowa?

Albert Einstein: „upiorne oddziaływanie na odległość”

Teleportacja kwantowa to – w olbrzymim uproszczeniu – proces, podczas którego teoretycznie na dowolną odległość przesyłany jest stan cząstki elementarnej, a nie sama cząstka jako taka. Oznacza to tym samym, że fizycznie żaden obiekt nie jest nigdzie przesyłany, jedynie w miejscu odbioru, czy może raczej w miejscu docelowym teleportacji rejestrujemy niejako dokładną kopię cząstki „nadawanej”.

Teleportacja kwantowa jest ściśle związana z tzw. splątaniem kwantowym, czy też stanem splątanym cząstek. W opisywanym tu chińskim eksperymencie badacze wykorzystywali splątane fotony, a dokładniej tzw. singlety, czyli stany splątane polaryzacji dwóch fotonów. Singlet charakteryzuje się pewną właściwością: otóż pomiar polaryzacji obu fotonów znajdujących się w stanie splątanym, realizowany za pomocą dwóch identycznie ustawionych, ale odległych od siebie polaryzatorów wykaże zawsze dwie przeciwstawne polaryzacje.

Analogie, czyli uproszczenia

W bardzo dużym uproszczeniu w celu wyjaśnienia splątania kwantowego można posłużyć się tu analogią z monetami zamkniętymi w dwóch identycznych pudełkach. W przypadku stanu splątanego, jeżeli w jednym pudełku znajduje się moneta na której wypadła reszka, to wiemy na pewno, że w drugim pudełku na monecie będzie orzełek. Tak samo ze splątanymi fotonami, jeden z nich będzie przeciwnie spolaryzowany w stosunku do drugiego. Czemu zatem Einstein określił to zjawisko jako „upiorne oddziaływanie na odległość”? Głównie dlatego, że stan splątania jest niezależny od odległości. Jeżeli jedna ze splątanych cząstek znajduje się na Ziemi, druga może się znajdować na orbicie wokółziemskiej – tak jak w opisywanym, chińskim eksperymencie, ale równie dobrze może znajdować się w galaktyce Andromedy. Wiele osób uważa to za sposób przekazywania informacji z prędkością szybszą od światła. Skąd taki wniosek i dlaczego – niestety – jest on mylny?

Kwantowa teleportacja a czasoprzestrzeń

Jakkolwiek absurdalnie to zabrzmi, przyjmuje się, że stan splątania działa natychmiastowo. Oznacza to, że jeżeli stan jednej splątanej cząstki jest określony to automatycznie określony jest też stan drugiej splątanej cząstki – niezależnie od tego, gdzie obie faktycznie się znajdują. Co więcej, ponieważ otaczająca nas przestrzeń jest tak naprawdę czasoprzestrzenią, nie ma również znaczenia czas w jakim rezydują cząstki splątane. Już w 2013 roku na łamach serwisu Wired opublikowano artykuł, w którym przedstawiono udane splątanie fotonów, które nie istniały w tym samym czasie (sic!). Jeżeli wymyka się to waszej percepcji i próbom wyobrażenia sobie splątania kwantowego, to wiedzcie, że nie jesteście w tym osamotnieni.

Splątanie nie przekaże informacji, ale jest niezwykle istotne

W każdym razie sam stan splątania nie umożliwia „przesłania” informacji szybciej od światła. Dlaczego? Mówiąc obrazowo, jeżeli wiecie, że w Waszym pudełku moneta wskazuje orzełka, to wiecie że u odbiorcy jest reszka. Nie mamy żadnego wpływu na to, jaki stan moneta ma u nas – co umożliwiałoby kodowanie informacji. W efekcie mimo teoretycznie dowolnej odległości pomiędzy splątanymi cząstkami „monetami” nie dowiadujemy się niczego nowego. Tak samo w przypadku fotonów. Jeżeli u nas jest dana polaryzacja, to splątana cząstka będzie miała przeciwną polaryzację. Nie mamy jednak wpływu na to jaką polaryzację będziemy mieli u nas. Jednak chociaż stan splątania nie umożliwia nadświetlnego przesyłania informacji, to zapewnia coś bardzo istotnego – integralność przesłanej informacji i całkowicie uniemożliwia podsłuch kwantowego przekazu.

Dzięki stanowi splątanemu wiemy, że splątane cząstki są niejako identyczne, choć ze względu na zasadę nieoznaczoności Heisenberga nie jesteśmy w stanie dokładnie zmierzyć wszystkich cech choćby jednej z nich. Zasada nieoznaczoności wyklucza dokładny pomiar. Możemy ustalić położenie cząstki, ale im dokładniej to robimy, tym mniej znany jest jej pęd. Z kolei im dokładniej zmierzymy pęd, tym mniej znamy jej położenie. Jednak właśnie dzięki stanowi splątanemu mamy gwarancję, że teleportowana kwantowo cząstka (czy układ cząstek) jest w obu lokalizacjach teleportacji: źródłowej i docelowej – identyczna. To ma kluczowe znaczenie dla protokołów szyfrowania i komunikacji wykorzystujących kwantową łączność. Innymi słowy, dzięki splątaniu stan całego układu cząstek jest lepiej określony niż stan poszczególnych cząstek. Jest to cecha niemożliwa w fizyce klasycznej, jak się jednak okazuje, w fizyce kwantowej niemożliwe jest możliwe, a wręcz powszechne.

Kwantowa teleportacja oznacza kwantowy internet?

Choć wiadomo, że nie można precyzyjnie zmierzyć dokładnego stanu cząstki, to teleportacja kwantowa umożliwia wierne przekazywanie stanów kwantowych na duże odległości, bez fizycznego przemieszczania samego teleportowanego obiektu. Dotychczasowe eksperymenty związane ze zjawiskiem teleportacji kwantowej udowadniały, że możliwe jest przeniesienie stanu cząstki na odległości rzędu 100 km. Na większych dystansach eksperymenty zawodziły z powodu m.in. utraty fotonów w światłowodzie czy innych zakłóceń wpływających na teleportację kwantową. Dlatego wyzwaniem dla kwantowej łączności, czy – idąc dalej – kwantowego internetu – jest przede wszystkim znaczne rozszerzenie zasięgu teleportacji kwantowej. Dlaczego zdecydowano się na teleportację pomiędzy Ziemią a obiektem umieszczonym na orbicie? Właśnie ze względu na fakt, że ścieżka propagacji fotonów przebiega w takim przypadku przez prawie pustą przestrzeń. To głównie dlatego udało się teleportować stan fotonu na odległość sięgającą 1400 km.

Od teleportacji stanu cząstki do w pełni działającej komunikacji kwantowej jeszcze daleka droga. Naukowcy muszą zoptymalizować skuteczność i niezawodność łącza, zneutralizować wpływ atmosfery ziemskiej w zwrotnym połączeniu i rozwiązać wiele innych problemów. Niemniej pierwsze kwantowe połączenie ziemia – satelita zostało zrealizowane, a to wielki krok ludzkości na drodze do szybkiej, bezpiecznej kwantowej łączności na duże odległości. Niestety – nie z dowolną prędkością.

Prywatna komunikacja zamiast ansibli

Miłośnicy prozy Orsona Scotta Carda, czy Ursuli Le Guin z pewnością kojarzą fikcyjne urządzenie umożliwiające natychmiastową komunikację z prędkością znacznie przekraczającą prędkość światła. Być może będziecie rozczarowani, gdy powiemy Wam, że teleportacja kwantowa nie umożliwi budowy takich urządzeń. Niestety, ale przekazywanie informacji szybciej od światła wciąż jest niemożliwe. Jednak prace austriackich i chińskich naukowców, a także zadania realizowane przez wielu innych badaczy z całego świata zajmujących się teleportacją kwantową umożliwią powstanie czegoś innego – superbezpiecznej kwantowej komunikacji, w której podsłuchanie jakiegokolwiek przekazu przez osobę nie będącą nadawcą bądź adresatem teleportowanej informacji będzie fizycznie niemożliwe.

Wszystkim, którzy chcieliby jeszcze bardziej pogłębić wiedzę dotyczącą opisywanego wydarzenia polecamy lekturę źródeł, z których korzystano podczas opracowywania niniejszego materiału:

| CHIP