Komunikacja kwantowa. Kolejny sukces chińskiego satelity

Za pomocą jedynego satelity kwantowego, jaki stworzył człowiek, udało się dokonać dystrybucji klucza kwantowego między stacjami naziemnymi oddalonymi od siebie o ponad 1100 km. Komunikacja została przeprowadzona cztery razy bardziej efektywnie niż podczas pierwszej próby opisywanej w 2017 r.

Komunikacja kwantowa polega na kodowaniu informacji w oparciu o przypisanie ich do określonych konfiguracji cząstek subatomowych i ich parametrów fizycznych, tzw. stanów kwantowych. Podstawową jednostką zapisu danych jest w tym przypadku bit kwantowy, czyli kubit (ang. quantum bit, qubit), odpowiednik bitu w komunikacji cyfrowej. W wymiarze praktycznym zastosowanie znajduje transmisja z wykorzystaniem fotonów w odpowiednio zakodowanych stanach kwantowych. Wśród podstawowych protokołów kwantowej dystrybucji klucza wyróżnia się metodę opartą na zjawisku splątania kwantowego, w którym występuje współzależność stanów własnych cząstek subatomowych pozostających ze sobą w powiązaniu. Komunikacja kwantowa zapewnia niespotykaną dotąd jakość szyfrowania przekazywanych informacji, gwarantując niewrażliwość na obecnie stosowane formy ataków hakerskich i włamań. System zawdzięcza swoją odporność samej specyfice zjawisk kwantowych, które umożliwiają wykorzystanie cząstek subatomowych w roli nośnika zaszyfrowanej informacji. Próba jej odczytania przez podmiot nieupoważniony powoduje każdorazowo zmianę stanu kwantowego, który prowadzi do utraty pierwotnych danych, stając się zarazem sygnałem niepowołanej ingerencji.

Narastające możliwości tradycyjnych komputerów, a przede wszystkim groźba powstania dostatecznie zaawansowanych komputerów kwantowych zagraża obecnym protokołom bezpiecznej komunikacji. Dlatego tak zachęcające jest wykorzystanie praw mechaniki kwantowej w komunikacji.

Satelita Micius wysłany przez Chiny w 2016 r. demonstruje od kilku lat technikę kwantowej dystrybucji klucza przy użyciu splątania kwantowego. Już w 2017 r. na łamach czasopisma Science naukowcy pochwalili się osiągniętym przesyłem splątanych fotonów do stacji Delingha i Lijian, oddalonych od siebie o 1200 km. Choć wtedy osiągnięcie to było przełomem, to efektywność transmisji była zbyt niska do praktycznego zastosowania.

Teraz chińscy naukowcy udoskonalili komunikację, instalując bardziej zaawansowane teleskopy w stacjach naziemnych i optymalizując działanie sprzętu służącego do komunikacji na każdym etapie drogi wiązki fotonów. Dzięki temu udało się uzyskać cztery razy większą efektywność i dostatecznie niski współczynnik błędu, by strony komunikujące się mogły odczytać wysyłany przez satelitę klucz szyfrujący.

Jak podaje portal Urania.pl, do poprawionego eksperymentu użyto dwóch stacji naziemnych w Nanshan i Delingha, oddalonych od siebie o 1120 km. W obu miejscach zbudowano nowe teleskopy zbudowane tylko z myślą o eksperymentach dystrybucji splątanych par fotonów. Oba teleskopy mają średnicę 1,2 m.

Satelita Micius z ładunkiem o wadze 23,8 kg generującym splątane pary fotonów o długości fali 810 nm jest w stanie wysyłać prawie 6 mln par na sekundę. Satelita okrąża Ziemię na orbicie heliosynchronicznej i pojawia się na widoku obu stacji odbiorczych codziennie około 2:00 w nocy czasu pekińskiego. Stacje odbiorcze odfiltrowują światło, pozostawiając tylko to w zakresie eksperymentu. Systemy naziemne są w stanie śledzić satelitę z dokładnością do 0,4 μrad. Synchronizacja czasowa jest uzyskiwana za pomocą lasera-latarni zainstalowanego na satelicie. Dokładność synchronizacji czasowej wynosi 0,77 ns (1 odchylenie standardowe).

W poprawionym eksperymencie uzyskano odbiór splątanych fotonów na poziomie 2,2 Hz. Współczynnik sygnału do szumu wyniósł 15:1. To dało wynik kwantowego współczynnika błędu na poziomie 4,5% (w porównaniu z 8,1% uzyskanym w poprzednim eksperymencie).

Kwantowa dystrybucja klucza przy użyciu satelity Micius to do tej pory najbardziej zaawansowany eksperyment tego typu na świecie. Do praktycznego zastosowania takiej komunikacji potrzeba będzie jeszcze jednak pokonać wiele problemów. Uzyskana przepustowość przesyłu klucza to na razie tylko 0,12 b/s. Poza tym eksperyment mógł być wykonywany tylko w nocy przy użyciu dość krótkiej fali światła, niekompatybilnej z obecnymi naziemnymi sieciami światłowodowymi.

Dodatkowo niedojrzała jest jeszcze technologia urządzeń przedłużających sygnał w bezpieczny sposób na Ziemi (repeatery). Przez to zademonstrowana komunikacja ma zastosowanie tylko w przypadku stacji naziemnych, które są widoczne jednocześnie przez satelitę wysyłającego klucz.

Chiński satelita nazwany został na cześć żyjącego na przełomie V i IV w. p.n.e. chińskiego uczonego i filozofa Mocjusza (inaczej Mozi albo Mo Di; w języku angielskim - Micius). Pochodzący z rodziny rzemieślników Mocjusz był zarówno zdolnym konstruktorem latających modeli ptaków, maszyn oblężniczych i fortyfikacji, jak i filozoficznym rywalem Konfucjusza, którego doktrynę uznawał za zbyt formalistyczną. Jego jednym z największych osiągnięć było opisanie pierwszej zasady termodynamiki, którą znamy obecnie w wersji opisanej przez Newtona. Był też zwolennikiem władzy absolutnej i państwa totalitarnego, co w dużym stopniu wynika, że tworzył w okresie Okres Wiosen i Jesieni, który cechowała bezwzględna walka o władze i wojen domowych.