اثبات نظری امکان ارسال سیگنال کوانتومی از زمین به ماهواره؛ گامی بلند به سوی اینترنت غیرقابل هک

پیمودن مسیر معکوس: از زمین به فضا

تا پیش از این، ارسال ذرات نوری درهم‌تنیده تنها از ماهواره‌ها به ایستگاه‌های زمینی امکان‌پذیر بود. انتقال فوتون‌ها در جهت معکوس، یعنی از زمین به فضا، به دلیل چالش‌های بزرگ در حفظ پایداری سیگنال در طول مسیر، تقریباً غیرممکن به شمار می‌رفت. با این حال، پژوهش جدید گروهی از متخصصان در دانشگاه فناوری سیدنی نشان می‌دهد که این کار شدنی است.

این مطالعه بر پایه‌ی یک مدل دقیق بنا شده که از فرایندی به نام «تبادل درهم‌تنیدگی» استفاده می‌کند. در این مدل، تمامی شرایط محتمل لحاظ شده است:

• شرایط جوی و تأثیر نور پس‌زمینه‌ی زمین.
• موقعیت ماهواره و سرعت حرکت آن.
• تداخل ناشی از فوتون‌های سرگردان و نویز محیطی.
• بازتاب نور خورشید از سطح ماه و انحراف‌های احتمالی در تنظیمات نوری.

شلیک دقیق فوتون‌ها به ماهواره

فیزیک‌دان «سایمون دویت» از UTS، ایده‌ی اصلی این پژوهش را تشریح می‌کند. او می‌گوید هدف این است که دو ذره‌ی نوری مجزا از دو ایستگاه زمینی مختلف به سمت یک ماهواره شلیک شوند:

«ایده این است که دو ذره‌ی نوری مجزا از دو ایستگاه زمینی متفاوت به سوی ماهواره‌ای که در فاصله‌ی حدود ۵۰۰ کیلومتری از زمین و با سرعتی حدود ۲۰ هزار کیلومتر در ساعت در مدار است، شلیک شوند؛ به‌گونه‌ای که در مسیر خود با دقتی بی‌نظیر به هم برسند و پدیده‌ی تداخل کوانتومی رخ دهد. شگفت‌انگیز است که مدل ما نشان داد ایجاد چنین پیوندی از زمین به فضا شدنی است.»

در این مدل، دو ایستگاه زمینی فوتون‌های درهم‌تنیده را به فضا می‌فرستند و برای شناسایی موفقیت‌آمیز آن‌ها، فوتون‌ها باید تقریباً هم‌زمان به ماهواره برسند.

اهمیت این دستاورد برای اینترنت کوانتومی

این دستاورد از آن جهت اهمیت دارد که تحقق آن، گامی بلند به سوی «اینترنت کوانتومی» است؛ شبکه‌هایی که به‌صورت ذاتی غیرقابل هک هستند. در این شبکه‌ها، به محض اینکه شخص یا سیستمی غیرمجاز بخواهد داده‌ها را مشاهده کند، اطلاعات به‌طور خودکار از بین می‌رود و ذرات درهم‌تنیده، مانند فوتون‌ها، برای تأیید صحت ارتباط در هر دو سر استفاده می‌شوند.

غلبه بر محدودیت توان ماهواره‌ها

در حال حاضر، کلیدهای رمزنگاری محرمانه می‌توانند در ماهواره‌ها تولید و سپس به زمین ارسال شوند. حفظ پایداری فوتون‌ها در جهت رو‌به‌پایین آسان‌تر است، زیرا پراکندگی جوی در پایان مسیر اتفاق می‌افتد و همچنین هدف‌گیری ایستگاه‌های زمینی ثابت، ساده‌تر از نشانه‌گیری یک ماهواره‌ی متحرک است.

با این حال، توان محدود ماهواره‌ها یک نقطه‌ضعف بزرگ محسوب می‌شود. سپردن وظایف دشوارتر به زمین که انرژی فراوانی دارد، این امکان را فراهم می‌آورد که تعداد بسیار بیشتری از جفت‌های فوتونی درهم‌تنیده سریع‌تر تولید شده و سپس برای توزیع بیشتر به ماهواره‌ها ارسال شوند.

دویت توضیح می‌دهد که این رویکرد، هزینه‌ها و ابعاد سخت‌افزار مورد نیاز را به شدت کاهش می‌دهد:

«ماهواره تنها به یک واحد نوری فشرده نیاز دارد تا فوتون‌های ورودی را با یکدیگر تداخل دهد و نتیجه را گزارش کند، نه اینکه خودش سخت‌افزار پیچیده‌ی کوانتومی برای تولید تریلیون‌ها فوتون در ثانیه داشته باشد. این کار هزینه و اندازه را کاهش می‌دهد و رویکرد را عملی‌تر می‌سازد.»

محدودیت‌های فعلی و چشم‌انداز آینده

این سیستم جدید با وجود دقت فنی بالا، محدودیت‌هایی نیز دارد. عملکرد آن تنها در شب و به دور از تداخل نور خورشید ممکن است و نیازمند تنظیم دقیق و کالیبراسیون مداوم است. با این حال، همین گام نخست، زمینه‌ساز پیشرفت‌های بعدی خواهد بود.

هرچند شبکه‌ی ارتباطات کوانتومی کاملاً عملی هنوز فاصله‌ی زیادی تا واقعیت دارد، اما اثبات نظری امکان‌پذیری سامانه‌های دوطرفه، یک پیشرفت بزرگ است. پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که آزمایش‌های آینده می‌تواند با استفاده از گیرنده‌های نصب‌شده بر پهپادها یا بالون‌ها انجام شود.

دویت در پایان، آینده‌ی این فناوری را این‌گونه ترسیم می‌کند:

«در آینده، درهم‌تنیدگی کوانتومی به چیزی شبیه برق تبدیل خواهد شد؛ نوعی منبع نامرئی که سایر فناوری‌ها را تغذیه می‌کند. این انرژی تولید و منتقل می‌شود، بی‌آنکه کاربر متوجه آن باشد – ما فقط دستگاه‌هایمان را وصل می‌کنیم و از آن استفاده می‌کنیم.»