Een Chinese satelliet heeft paren van "verstrengelde fotonen" gesplitst en deze naar afzonderlijke grondstations op 745 mijl (1.200 kilometer) van elkaar verwijderd, waardoor het vorige afstandsrecord voor zo'n prestatie werd verbroken en nieuwe mogelijkheden voor kwantumcommunicatie werden geopend.
In de kwantumfysica, wanneer deeltjes op bepaalde manieren met elkaar interageren, raken ze 'verstrikt'. Dit betekent in wezen dat ze verbonden blijven, zelfs wanneer ze van elkaar worden gescheiden door grote afstanden, zodat een actie die op de een wordt uitgevoerd, de ander beïnvloedt.
In een nieuwe studie die vandaag (15 juni) online is gepubliceerd in het tijdschrift Science, rapporteren onderzoekers de succesvolle distributie van verstrengelde fotonparen naar twee locaties op aarde, gescheiden door 747,5 mijl (1.203 km).
Quantumverstrengeling heeft interessante toepassingen voor het testen van de fundamentele natuurkundige wetten, maar ook voor het creëren van uitzonderlijk veilige communicatiesystemen, aldus wetenschappers. Dat komt omdat de kwantummechanica stelt dat het meten van een kwantumsysteem het onvermijdelijk verstoort, dus elke poging tot afluisteren is onmogelijk te verbergen.
Maar het is moeilijk om verstrengelde deeltjes - normaal gesproken fotonen - over grote afstanden te verdelen. Bij het reizen door de lucht of over glasvezelkabels, interfereert de omgeving met de deeltjes, dus met grotere afstanden vervalt het signaal en wordt het te zwak om nuttig te zijn.
In 2003 begon Pan Jianwei, hoogleraar kwantumfysica aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China, aan een satellietsysteem dat was ontworpen om verstrengelde fotonenparen naar grondstations te sturen. Het idee was dat, omdat het grootste deel van de reis van het deeltje door het vacuüm van de ruimte zou gaan, dit systeem aanzienlijk minder omgevingsinvloeden zou introduceren.
"Veel mensen vonden het toen een gek idee, omdat het al een hele uitdaging was om de geavanceerde kwantumoptica-experimenten uit te voeren in een goed afgeschermde optische tafel," vertelde Pan aan WordsSideKick.com. 'Dus hoe kun je vergelijkbare experimenten doen op een afstand van duizend kilometer en met de optische elementen die trillen en bewegen met een snelheid van 8 kilometer per seconde?'
In de nieuwe studie gebruikten onderzoekers de Chinese Micius-satelliet, die vorig jaar werd gelanceerd, om de verstrengelde fotonparen te verzenden. De satelliet beschikt over een ultraheldere verstrengelde fotonenbron en een zeer nauwkeurig acquisitie-, richt- en volgsysteem (APT) dat bakenlasers op de satelliet en op drie grondstations gebruikt om de zender en ontvangers op één lijn te brengen.
Zodra de fotonen de grondstations bereikten, voerden de wetenschappers tests uit en bevestigden dat de deeltjes nog steeds verstrengeld waren, ondanks dat ze tussen de 994 mijl en 1.490 mijl (1.600 en 2.400 km) hadden afgelegd, afhankelijk van in welk stadium van de baan de satelliet zich bevond.
Alleen de laagste 6 mijl (10 km) van de atmosfeer van de aarde is dik genoeg om aanzienlijke interferentie met de fotonen te veroorzaken, aldus de wetenschappers. Dit betekent dat de algehele efficiëntie van hun link veel hoger was dan eerdere methoden voor het verspreiden van verstrengelde fotonen via glasvezelkabels, aldus de wetenschappers.
"We hebben al een distributie-efficiëntie van twee fotonenverstrengeling behaald, een biljoen keer efficiënter dan het gebruik van de beste telecommunicatievezels", aldus Pan. 'We hebben iets gedaan dat absoluut onmogelijk was zonder de satelliet.'
Afgezien van het uitvoeren van experimenten, is een van de mogelijke toepassingen van dit soort systemen voor "quantum key distribution", waarbij kwantumcommunicatiesystemen worden gebruikt om een encryptiesleutel te delen tussen twee partijen die onmogelijk te onderscheppen is zonder de gebruikers te waarschuwen. In combinatie met het juiste versleutelingsalgoritme is dit systeem niet te kraken, zelfs als versleutelde berichten via normale communicatiekanalen worden verzonden, aldus experts.
Artur Ekert, hoogleraar kwantumfysica aan de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk, beschreef als eerste hoe verstrengelde fotonen kunnen worden gebruikt om een coderingssleutel te verzenden.
"Het Chinese experiment is een opmerkelijke technologische prestatie", vertelde Ekert aan WordsSideKick.com. 'Toen ik in 1991, toen ik student in Oxford was, de ineengestrengelde quantum key-distributie voorstelde, had ik niet verwacht dat het tot zulke hoogten zou worden verheven!'
De huidige satelliet is volgens Pan echter niet helemaal klaar voor gebruik in praktische kwantumcommunicatiesystemen. Ten eerste betekent de relatief lage baan dat elk grondstation slechts ongeveer 5 minuten per dag bestrijkt, en de golflengte van de gebruikte fotonen betekent dat het alleen 's nachts kan werken, zei hij.
Om de dekkingstijden en -gebieden te vergroten, moeten nieuwe satellieten met hogere banen worden gelanceerd, zei Pan, maar hiervoor zijn grotere telescopen, nauwkeurigere tracking en hogere linkefficiëntie nodig. Overdag vereist het gebruik van fotonen in de telecommunicatiegolflengten, voegde hij eraan toe.
Maar terwijl het ontwikkelen van toekomstige kwantumcommunicatienetwerken veel werk vereist, zei Thomas Jennewein, universitair hoofddocent aan het University of Waterloo Institute for Quantum Computing in Canada, dat de groep van Pan een van de belangrijkste bouwstenen heeft gedemonstreerd.
"Ik werk sinds 2000 in deze onderzoekslijn en heb onderzoek gedaan naar vergelijkbare implementaties van kwantumverstrengelingsexperimenten vanuit de ruimte, en ik kan daarom heel sterk getuigen van de durf, toewijding en vaardigheden die deze Chinese groep heeft getoond", vertelde hij WordsSideKick.com .
