Micius już teleportuje

To ważny krok w rozwoju bezpiecznej kwantowej komunikacji. W połowie czerwca i na początku lipca zespół chińskich fizyków kwantowych pod kierownictwem Pan Jian-Weia z Uniwersytetu w Szanghaju opublikował na łamach „Science” wyniki kilku przełomowych eksperymentów z udziałem pierwszego na świecie satelity do komunikacji kwantowej nazwanego Micius (od imienia starożytnego chińskiego uczonego), wyniesionego na orbitę w połowie ubiegłego roku.

Najpierw z Miciusa wyemitowana została wiązka par fotonów znajdujących się w tzw. stanie splątanym. Fotony wysłano do ulokowanych na Wyżynie Tybetańskiej stacji naziemnych, oddalonych od satelity o 1203 km. To rekordowa odległość w tego typu eksperymencie – wcześniej splątaną parę fotonów udało się przesłać na dystans 143 km.

Fenomen stanu splątanego sprowadza się do tego, że dwie lub więcej cząstek kwantowych trzeba zawsze traktować jako jeden układ i nie można ich rozpatrywać oddzielnie. Na przykład, gdy powstanie para splątanych kwantowo fotonów, polaryzacja pojedynczej cząstki nie jest określona. Jednak jeśli zmierzymy polaryzację pierwszego fotony to natychmiast uzyskujemy informację również o polaryzacji drugiej cząstki z pary – niezależnie od odległości pomiędzy nimi. Wygląda to tak, jakby cząstki natychmiast komunikowały się ze sobą.

Ta dziwaczna własność świata kwantowego nie dawała spać Albertowi Einsteinowi, który określał ją mianem „upiornego oddziaływania na odległość” – splątane cząstki zdają się bowiem komunikować z prędkością przekraczającą prędkość światła. Już w 1935 r. Einstein razem z Borisem Podolskym i ­Nathanem Rosenem opublikowali pracę, w której rozważali podobny eksperyment myślowy, nazwany od pierwszych liter nazwisk jego autorów „paradoksem EPR”. W ich ocenie paradoks ten dowodził, że mechanika kwantowa jest teorią niekompletną. Dziś wiadomo, iż fenomen kwantowego splątania nie stoi w sprzeczności z teorią względności i nie pozwala wysyłać informacji z nadświetlną prędkością.

Przeprowadzenie pierwszego eksperymentu przez Miciusa wymagało przezwyciężenia szeregu trudności technicznych. Podstawowym problemem była utrata fotonów (które reagują z otoczeniem i wiele z nich po prostu jest pochłanianych) podczas ich transmisji oraz komplikacje związane z utrzymaniem ich przesyłu. Rozmiar opisywanych trudności może zobrazować fakt, że tylko jedna para splątanych fotonów na sześć milionów wysyłanych z satelity w każdej sekundzie docierała do naziemnych stacji.

W kolejnych eksperymentach chińskim badaczom udało się dokonać tzw. kwantowej teleportacji: w satelicie stworzono splątaną parę fotonów, z których jeden został wysłany do stacji naziemnej. Tam wprowadzono kolejny foton (o nieznanym stanie kwantowym) do stanu splątanego z fotonami wyjściowymi, a następnie dokonano pomiaru stanu kwantowego cząstek znajdujących się w stacji naziemnej. Wówczas foton znajdujący się na satelicie przyjmuje stan dokładnie taki, jaki cechuje trzeci wprowadzony foton. Formalnie w całym zdarzeniu nie dochodzi zatem do teleportacji cząstki, tylko jej stanu kwantowego.

Przeprowadzone doświadczenia są krokiem milowym, jeśli chodzi o rozwój odpornej na ataki hakerów sieci komunikacyjnej, ponieważ teleportowane cząstki mogą przenosić informację (zakodowaną w ich stanie kwantowym). Ze względu na panujące w świecie kwantów prawa, każda próba przechwycenia informacji przesyłanej taką drogą spełznie na niczym, ponieważ podczas dokonywania pomiaru nieodwracalnie tracony jest stan kwantowy cząstki – niemożliwe jest więc odzyskanie przenoszonej informacji. Protokół komunikacyjny oparty na kwantowej teleportacji nie może jednak działać z prędkością większą od prędkości światła, bowiem wymaga również klasycznego, czyli ograniczonego prędkością światła, kanału komunikacyjnego.

W najbliższych latach Chińczycy planują sukcesywne budowanie całej sieci takich satelitów kwantowych. Od dawna mówi się, że na działaniu tego rodzaju urządzeń mógłby się opierać internet przyszłości. ©

Autor jest doktorantem na Wydziale Prawa i Administracji UJ, realizuje diamentowy grant.