Remiantis naujais Edinburgo universiteto Škotijoje tyrimais, ateivių civilizacijos gali siųsti kvantines žinutes dideliu atstumu per kosmosą – ką galiausiai galėtume padaryti ir mes. Norėdami suprasti, kaip tai galėtų veikti, turime šiek tiek pasigilinti į kvantinius reiškinius ir kaip Žemėje atsirado kvantiniai tinklai. Kokie yra kvantinės komunikacijos pavojai ir stipriosios pusės šiose dviejose labai skirtingose aplinkose?

Fizikai Arjunas Berera ir Jaime Calderón-Figuero parašė naują darbą, paskelbtą praėjusio mėnesio pabaigoje žurnale „Physical Review D“, kaip literatūros apžvalgą (tai reiškia, kad jie patikrino esamus tyrimus) ir minties pratimą apie vieną galimą tarpžvaigždinio ryšio versiją. Jie išsiaiškino, kad tie patys kvantiniai reiškiniai, kurie susilieja per mažesnius tinklus čia, Žemėje, gali būti naudojami plačiose erdvės srityse; užuot pasikliovę tradiciniu ryšio būdu, tokiu kaip šviesolaidinis kabelis, šie pranešimai gali būti siunčiami pačiu oru (arba beorėje aplinkoje).

Jų skaičiavimai rodo, kad fotonų pluoštai gali nukeliauti pakankamai toli, kad galėtų kirsti visą Paukščių Tako galaktiką, o tai reiškia, kad pranešimai galėtų būti visur aplink mus, jei tik žinotume, kaip juos priimti. Mokslininkai nustatė, kad nors šiuos pranešimus paveiks gravitacija ilgos kelionės per galaktiką metu, jie „neišsiskirs“ – tai pagrindinis terminas, reiškiantis, kad kvantiniai reiškiniai „iškrito“ iš subtilios kvantinės būsenos. Pranešimas gali būti iškreiptas, bet jis vis tiek būtų įskaitomas. Mokslininkai išsiaiškino, kad optinio spektro fotonus (tai reiškia matomą spalvotą šviesą) gravitacija paveiks mažiau nei esančius nematomame rentgeno spindulių diapazone; bet būtų lengviau aptikti pasikartojančius pranešimus rentgeno spindulių diapazone, todėl jie būtų šiam tikslui geresni kandidatai.

Kvantinė komunikacija žemėje ir erdvėje turi vieną esminį bendrą bruožą: jie remiasi kvantine būsena, vadinama kvantiniu susiejimu. Norėdami padėti suprasti, kalbėjomės su Davidu Awschalomu, apdovanojimus pelniusiu fiziku, vadovaujančiu „Chicago Quantum Exchange“ (intelektualus centras, skirtas kvantinės informacijos mokslui ir inžinerijai tobulinti). „Tai nereiškia, kad jūs tiesiog bandote siųsti informaciją iš vienos vietos į kitą“, – aiškina jis. „Jūs paimate dalį informacijos ir norite, kad ji apimtų dvi erdvėje atskiras vietas.

Šiuo atveju tai reiškia vietas, atskirtas daugelio šviesmečių atstumu. Žmonės, „žiūrėdami“ į kiekvieną susietų dalelių galą, matys lygiai tą pačią informaciją. (Įdomu, kad nors informacija atnaujinama akimirksniu, ją galima peržiūrėti tik po šviesos greičio laikotarpio, pavyzdžiui, išgirsti  griaustinio garsą, pamačius žaibą). Kvantinio susiejimo dalelės veikia kaip grupė, dalijasi informacija kaip grupė, ir yra glaudžiai susirišusios. Pagalvokite apie kvantinio susiejimo būseną, kaip apie subtilią plėvelę ant vieno iš tų milžiniškų ploviklio burbuliukų. Kai visos dalelės ploviklio mišinyje susijungia, jos gali padaryti stebuklingai atrodančius dalykus. Tačiau kai tik kas nors suardo kurią nors plėvelės dalį, visas efektas sunaikinamas. Žemėje susieti fotonai yra apsaugoti šviesolaidinių tinklų viduje. Skaidulinė optika veikia atmušdama šviesos pluoštus iš stiklo arba plastiko pagamintų „šerdžių“ plonuose vienmodžiuose kabeliuose ar storesniuose daugiamodžiuose kabeliuose (tai skirtingi kvarco pluoštai, priklausomai nuo optinės spinduliuotės sklidimo režimų skaičiaus). Tai reiškia, kad  Žemėje stiklas yra terpė, o oras (arba jo visai nėra) erdvėje.

Jei manote, kad spindulių siuntimas per stiklą, o ne oru tikriausiai yra daug sudėtingesnis atsparumo ir pralaidumo požiūriu, jūs teisus. Tai viena iš priežasčių, kodėl šviesolaidiniai tinklai ir beveik visi ryšių tinklai galiausiai naudoja tam tikrą technologiją, vadinamą kartotuvu. Tai įrenginys, kuris paprastai yra įmontuotas į tinklo infrastruktūrą ir sugeria bei sustiprina bet kokius ateinančius signalus. Jie taikomi, pavyzdžiui, laidiniam ir belaidžiam internetui.

Tačiau kvantinėje srityje tai nėra taip paprasta. Kaip „pakartoti“ vieną susietąjį fotoną, kai pats žiūrėjimas į jį suardo būseną, kaip diktuoja kvantinę fiziką valdantis stebėtojo efektas? (Tiesą sakant, tai yra viena iš priežasčių, kodėl kvantinis susipynimas turi tokias gausias saugumo priemones: informacija gali būti saugoma taip, kad ji savaime sunaikinama, jei stebėtojas ją perima.) Kosmose kartotuvo galimybės nėra. Laimei, to tikrai nereikia.

„Šviesos siuntimas per erdvę paprastai padeda išvengti šios problemos“, – aiškina D. Awschalomas. Oras arba beorė erdvė yra lengvesnė terpė su mažesniu pasipriešinimu, tačiau vis dar yra iššūkių. „Jei praeinate pro mūsų atmosferą ir esate kosmose, kas gali pabloginti kvantinius ir optinius signalus, einančius per erdvės vakuumą? Smūgiai ten yra tokie, kaip gravitacija, tarpžvaigždinės dalelės, pavyzdžiui, dulkės, dalykai, kurie gali išsklaidyti šviesą, pavyzdžiui, kaip žibintuvėlis šviečia labai dulkėtoje patalpoje.

Štai kodėl mokslininkai iš Edinburgo sutelkė dėmesį į signalo patikimumą ir tai, kaip geriausiai priimti banguojančius fotonus iš kosmoso. Kosmose jų problema iš tikrųjų nėra dekoherencija – kvantiniai trikdžiai, atsirandantys dėl kitų kvantinių dalelių sąveikavimo su kvantinėmis dalelėmis, kurie yra didžiausias bet kokio pobūdžio kvantinių duomenų tinklo priešas, kai dalelės „iškrenta“ iš kvantinės būsenos ir sunaikinamas jų ryšys. Ir tai, kokį bangos ilgį pasirinksite, svarbu dėl šių bangų ilgių savybių, pvz., rentgeno spinduliai gali prasiskverbti per didžiąją žmogaus kūno dalį, palyginti su optine šviesa, kuri meta šešėlį.

Šviesolaidiniuose tinkluose signalai yra fiziškai, nes jie atsimuša į kabelių topologiją. Vieno režimo kabeliai suteikia signalui mažiau vietos atšokti, o tai reiškia, kad jis gali nukeliauti toliau, nesumažindamas ir neprarasdamas srauto nei daugiamodinis kabelis. Erdvėje nėra atšokimo, bet tai taip pat reiškia, kad nėra izoliacijos. Gravitacijos stumiami ir traukiami fotonai gali skristi bet kuria kryptimi. O ore Žemėje ir aplink ją yra ir kitų pavojų, pavyzdžiui, drėgmė; įsivaizduokite, kaip šviečiate šviesą į rūką. Sėkmingas kvantinis signalas turėtų veikti taip, kaip jūsų automobilio specialūs rūko žibintai, bandantys apeiti drėgną debesį, kad nebūtų išsklaidyta šviesa. Jau yra precedentas, kai kvantiniai signalai siunčiami oru naudojant palydovus, sako D. Awschalomas. Pavyzdžiui, Kinijos palydovas „Micius“ siuntė signalus gana dideliais atstumais į ir iš retos Žemės atmosferos ploto žemoje orbitoje. Ir jei stotys, siunčiančios šiuos signalus, yra išdėstytos aukštuose taškuose, pavyzdžiui, kalnuose, jos gali išvengti daugelio problemų, susijusių su didesne drėgme.

D. Awschalomas mano, kad įdiegtų kvantinių duomenų tinklų ateitis apims daugialypės terpės metodą,  nes oras ir šviesolaidis yra skirtingos terpės. Beveik visos esamos komunikacijos (ir komunalinės paslaugos!) veikia kaip dideli medžiai ar fraktalai, kur stori kamienai jungia didžiausius gyventojų plotus, o vėliau šakojasi į vis mažesnes tiekimo sistemas. D. Awschalomas teigia, kad kvantinio ryšio tinklo magistralė gali būti palydovinė, o miestai gali būti sujungti tarp namų ir verslo infrastruktūrų naudojant šviesolaidį.

Viskas priklauso nuo to, kaip rasti geriausią būdą, išlaikyti fotonus. „Kiekvienas fotonas yra svarbus“, – sako D. Awschalomas.

Komentarai ()