01.07.2014 | Наука

Ученые опробовали космическую квантовую коммуникацию будущего

Команда физиков из университета Падуи в Италии во главе с Паоло Виллорези (Paolo Villoresi) провела эксперимент по "обстрелу" четырёх космических спутников поляризованными фотонами.

Таким образом учёные продемонстрировали основы квантовой коммуникации между космосом и наземными станциями. О результатах исследования они рассказали в статье, выложенной на сайт препринтов ArXiv.org.

Квантовые коммуникации осуществляются через волоконно-оптические кабели, однако расстояние, на которое можно передать информацию таким образом, довольно несущественно, поскольку фотоны в определённый момент могут поглотиться материалом проводника. Другие способы осуществления связи подразумевают отправку сигналов непосредственно через воздух, но опять же только на короткие расстояния (рекорд составляет 144 километра) из-за помех.

Новый эксперимент увеличивает расстояние, на которое теоретически можно передать данные посредством квантовой коммуникации, и сделать это без помех. До сих пор учёные считали, что главной проблемой будут атмосферные помехи, которые препятствуют прямому сообщению Земли и космоса. Частота ошибок при такой передаче данных должна составлять 11%.

Для своего эксперимента итальянские учёные использовали уже существующие космические спутники. Цели в космосе были выбраны по металлическим уголковым отражателям, которые "обстреляли" фотонами. Обычно эти зеркала используются для отражения лазерных импульсов, чтобы вычислить едва заметные изменения в гравитации Земли.

Исследователи подсчитали, что если сохранить поляризацию частиц света, то они подойдут под демонстрацию потенциала квантовых коммуникаций. Контрольной "группой" послужил ещё один спутник, непокрытый уголковым отражателем.

Используя приборы Обсерватории лазерной дальнометрии в Матере (MLRO), физики отправили фотоны к намеченным целям и поймали отражёнными на Земле. Фотоны при отправке ввели в четыре разных квантовых состояния, что является необходимым минимумом для генерации ключа шифрования.

Каждый спутник при обстреле находился прямо над обсерваторией, что позволило сократить расстояние до 2600 километров и уменьшить помехи. Результаты измерений показали, что связь с контрольным спутником дала около 50% помех, как и ожидалось, а связь с остальными была ниже 11%-ного порога ошибок.

Чтобы исключить возможность детектирования фоновых фотонов, которые не были отправлены изначально, Виллорези и его коллеги регистрировали только те частицы, которые попадали в детектор в рамках узкого временного окна. Обсерватория выступала в качестве передатчика и приёмника.

Исследователи сообщают, что в будущем спутники квантовых коммуникаций должны быть обеспечены высоким уровнем безопасности за счёт квантового распределения ключей. Ведь именно ради сохранности передаваемых данных человечество и стремится к реализации идеи квантовой коммуникации.

По словам Виллорези, коммерческая квантовая коммуникация, скорее всего, будет осуществляться через привычные волоконно-оптические кабели, посколько так данные передавать быстрее, чем по турбулентному воздуху. Скорость передачи информации через квантовые сети составит, по крайней мере, 1 мегабит в секунду, но это далеко не предел. Однажды беспроводная передача кубитов информации достигнет оптимальной скорости, и квантовые сообщения с космическими кораблями станут удобными и быстрыми.

Добавим, что к 2016 году Китай планирует вывести на орбиту новый спутник, специально предназначенный для испытания систем квантовой коммуникации. Аналогичные программы других стран пока держатся в секрете.

По публикациям UkrNet