Dlaczego dotychczas to nie działało?
Podstawowym wyzwaniem okazała się nie teoria, lecz praktyczne aspekty transmisji. Satelita poruszający się 500 kilometrów nad powierzchnią Ziemi osiąga zawrotną prędkość około 20 tysięcy kilometrów na godzinę. Dwie pojedyncze cząstki światła musiałyby trafić w niego niemal równocześnie z różnych lokalizacji naziemnych, aby mogło dojść do interferencji kwantowej. Do tej niezwykle wymagającej precyzji zadania dochodziły dodatkowe komplikacje. Rozpraszanie atmosferyczne na początku transmisji, ziemskie światło tła, niedoskonałości układów optycznych – wszystkie te czynniki skutecznie utrudniały stabilną komunikację. Dotychczasowe modele matematyczne nie były w stanie uwzględnić tak złożonej rzeczywistości.
Czytaj też: Kwantowy router zadziałał ze zwykłym internetem. Zdumiewająco wysoka jakość przesyłu danych
Co zaskakujące, nasze modelowanie wykazało, że łącze w górę jest wykonalne. Uwzględniliśmy efekty świata rzeczywistego, takie jak światło tła z Ziemi i odbicia światła słonecznego od Księżyca, efekty atmosferyczne i niedoskonałe wyrównanie systemów optycznych – opisuje Simon Devitt z University of Technology Sydney
Splątanie kwantowe w praktycznym zastosowaniu
Kluczem do rozwiązania okazała się technika nazywana splątaniem splątań. Dwie naziemne stacje nadawcze wysyłają fotony w kierunku satelity, którego zadanie ogranicza się do umożliwienia ich wzajemnej interferencji. Choć brzmi to prosto, wykonanie wymaga niebywałej precyzji w obsłudze pojedynczych cząstek. Znaczenie ma tutaj rozkład mocy pomiędzy uczestnikami komunikacji. Satelity dysponują ograniczonymi zasobami energetycznymi, co zawsze stanowiło ich słaby punkt w kontekście komunikacji kwantowej. Tymczasem stacje naziemne mogą pozwolić sobie na większe zużycie energii, co umożliwia efektywniejsze generowanie splątanych par fotonów bezpośrednio na Ziemi.
Satelita potrzebuje jedynie kompaktowej jednostki optycznej do interferencji przychodzących fotonów i raportowania wyników, zamiast sprzętu kwantowego do produkcji bilionów bilionów fotonów na sekundę potrzebnych do przezwyciężenia strat do Ziemi, co pozwala na łącze kwantowe o wysokiej przepustowości. To obniża koszty i rozmiar oraz sprawia, że podejście jest bardziej praktyczne – dodaje Devitt
Główną motywacją do rozwoju kwantowej komunikacji jest obietnica osiągnięcia poziomu bezpieczeństwa niedostępnego dla konwencjonalnych sieci. Splątane cząstki umożliwiają weryfikację integralności połączenia po obu stronach. Każda próba podsłuchu natychmiast zakłóca transmisję, co stanowi mechanizm samoczynnej ochrony. Obecnie tajne klucze generowane są na satelitach i przesyłane w dół. Choć rozwiązanie działa, ma swoje ograniczenia. Możliwość przesyłania danych w obu kierunkach otwiera drogę do stworzenia prawdziwie interaktywnej sieci kwantowej, gdzie naziemne stacje aktywnie uczestniczą w procesie splątania.
Realne ograniczenia technologii
Każde rozwiązanie technologiczne ma swoje słabe strony i to nie jest wyjątkiem. System opracowany przez australijskich naukowców może funkcjonować wyłącznie w porze nocnej, gdyż światło słoneczne wprowadza zbyt wiele zakłóceń. Nawet w idealnych warunkach wymaga precyzyjnej kalibracji i sprzyjających warunków atmosferycznych. Badacze sugerują rozpoczęcie testów od wykorzystania odbiorników montowanych na dronach lub balonach – na wysokościach niższych niż orbita satelitarna, ale wystarczających do weryfikacji założeń teoretycznych. Globalna sieć komunikacji kwantowej pozostaje odległym celem, choć perspektywa jest intrygująca.
Czytaj też: Tytanian strontu to nieoczekiwany sojusznik w rozwoju technologii kwantowych
Simon Devitt przedstawia wizję przyszłości, w której splątanie kwantowe stanie się tak powszechne jak energia elektryczna. Wyniki dotychczasowych badań ukazały się w czasopiśmie Physical Review Research. To teoretyczny przełom wskazujący nowy kierunek rozwoju. Prawdziwym sprawdzianem będzie jednak praktyczna implementacja koncepcji.