Vedci si mysleli, že je to nemožné. Kvantový signál sa im podarilo „otočiť“ zo Zeme smerom k satelitu
Vedci ukázali, že kvantové signály možno posielať aj zo Zeme k satelitu. Nový uplink môže zjednodušiť stavbu kvantových sietí a budúceho kvantového internetu.
Kvantová komunikácia patrí medzi technológie, ktoré môžu v budúcnosti zmeniť spôsob, akým si zariadenia vymieňajú citlivé informácie. Doteraz sa však pri vesmírnych kvantových spojeniach počítalo najmä s jedným smerom, zo satelitu smerom k Zemi. Nový výskum teraz ukázal, že fungovať môže aj opačný postup.
Vedci z Technologickej univerzity v Sydney (UTS) vypočítali, že kvantové signály sa dajú posielať aj zo Zeme smerom k satelitu. Takzvaný „uplink“ pritom odborníci dlho považovali za príliš náročný kvôli stratám signálu, rušeniu a problémom s presným zameraním.
Nová štúdia však naznačuje, že tento spôsob môže byť reálny. Ak sa podarí overiť výsledky v praxi, mohol by pomôcť pri budovaní rozsiahlejších kvantových sietí medzi kontinentmi.
Doteraz fungovali kvantové satelity opačne
Kvantové satelity dnes pracujú najmä tak, že vytvárajú previazané častice svetla vo vesmíre a následne ich posielajú na rôzne miesta na Zemi. Tento jav sa nazýva kvantové prepletenie. Dve častice môžu zostať navzájom prepojené aj na obrovskú vzdialenosť. Vedci tento efekt využívajú najmä pri bezpečnej komunikácii, pretože ak sa niekto pokúsi informáciu odpočúvať, kvantový stav sa zmení.
Casey Horner), Pixabay (geralt), Úprava: Vosveteit.sk
Čína napríklad v roku 2016 vypustila satelit Micius, ktorý umožnil prvé významné experimenty s kvantovou komunikáciou z vesmíru. Neskôr nasledovali ďalšie testy, vrátane spojenia medzi Čínou a Južnou Afrikou pomocou mikrosatelitu Jinan-1.
Neprehliadni
„Súčasné kvantové satelity vytvárajú previazané páry vo vesmíre a potom posielajú každú polovicu páru na dve rôzne miesta na Zemi,“ vysvetľuje profesor Alexander Solntsev.
Takýto systém však má svoje obmedzenia. Satelit musí niesť zložité kvantové zariadenia a zároveň zvládnuť generovanie dostatočného množstva častíc.
Vedci z UTS navrhli opačný prístup. Kvantové častice by nevznikali vo vesmíre, ale priamo na Zemi. Predstav si dve pozemné stanice, ktoré vyšlú jednotlivé fotóny smerom k jednému satelitu na nízkej obežnej dráhe. Ten by ich zachytil a spojil do kvantového signálu.
Na prvý pohľad to znie jednoducho, no v skutočnosti ide o extrémne náročnú úlohu. Satelit sa pohybuje rýchlosťou približne 20 000 kilometrov za hodinu vo výške okolo 500 kilometrov nad Zemou. Dve častice svetla musia doraziť v správnom okamihu a pod správnym uhlom, aby mohli vytvoriť požadovaný kvantový efekt.
Práve preto vedci dlho pochybovali, či by takýto systém vôbec fungoval.
„Myšlienka spočíva v tom, že vyšleme dve jednotlivé častice svetla z rôznych pozemných staníc k satelitu a ony sa stretnú tak presne, aby vytvorili kvantovú interferenciu. Je to vôbec možné?“ pýta sa Simon Devitt.
Výsledky modelovania však priniesli prekvapenie. Výpočty ukázali, že uplink môže fungovať aj pri započítaní reálnych problémov. Výskumníci nezohľadnili iba ideálne podmienky. Do modelov zahrnuli svetelné znečistenie zo Zeme, odrazy slnečného svetla od Mesiaca, atmosférické vplyvy aj nedokonalé nastavenie optických systémov.
Práve tieto faktory predstavujú pri vesmírnej kvantovej komunikácii veľký problém. Fotóny sú veľmi citlivé a aj malé odchýlky môžu spôsobiť stratu signálu. Podľa vedcov však výsledky ukázali, že správne navrhnutý systém dokáže tieto prekážky zvládnuť.
Lacnejší spôsob pre budúci kvantový internet?
Najväčšia výhoda nového konceptu môže spočívať v jednoduchšom vybavení satelitu. Ak bude kvantový zdroj umiestnený na Zemi, satelit nebude potrebovať veľké a komplikované zariadenia na vytváranie obrovského množstva fotónov. Stačil by menší optický systém, ktorý prijme prichádzajúce častice a spracuje ich.
To by mohlo znížiť cenu aj rozmery budúcich kvantových satelitov.
„Uplink by mohol priniesť potrebnú šírku pásma. Satelit by potreboval iba kompaktnú optickú jednotku namiesto kvantového hardvéru, ktorý by musel vytvárať obrovské množstvo fotónov,“ dodáva Devitt.
Práve väčšia kapacita bude dôležitá pri budúcom kvantovom internete. Súčasné kvantové experimenty často riešia najmä bezpečné šifrovanie, no plnohodnotná kvantová sieť bude musieť prepojiť aj samotné kvantové počítače.
Vedci teraz navrhujú overiť svoj koncept pomocou menších experimentov. Prvé skúšky by mohli využiť napríklad drony alebo prijímače umiestnené na balónoch. Ak testy potvrdia výpočty, malé satelity na nízkej obežnej dráhe by mohli v budúcnosti vytvoriť sieť medzi vzdialenými krajinami.
Kvantová komunikácia zatiaľ zostáva technológiou vo vývoji. Vedci však postupne riešia hlavné problémy, ktoré bránia jej širšiemu využitiu. Nový spôsob posielania signálov zo Zeme smerom k satelitom predstavuje ďalší možný krok k tomu, aby sa kvantové siete raz stali bežnou súčasťou modernej komunikácie.
