Ciudățenia cuantică supraviețuiește călătoriilor în spațiu

Într-o ispravă care demonstrează fezabilitatea utilizării sateliților pentru a transmite mesaje cuantice care nu pot fi sparte, oamenii de știință au măsurat proprietățile cuantice ale fotonilor trimiși în spațiu și înapoi.

Fizicienii au transmis sclipurile de lumină către un satelit care le-a reflectat înapoi pe Pământ. La întoarcerea fotonilor, echipa, condusă de Paolo Villoresi de la Universitatea din Padova din Italia, a observat o proprietate cunoscută sub numele de interferență cuantică. Acest lucru a confirmat că trăsăturile cuantice ale particulelor au rămas intacte pe parcursul călătoriei în spațiu de 5.000 de kilometri. Echipa raportează avansul într-o lucrare care urmează să fie publicată Scrisori de revizuire fizică.

Tehnica ar putea duce, într-o zi, la criptografia cuantică prin satelit, permițând utilizatorilor să trimită chei de criptare pentru a codifica informații secrete. „Este important de dragul unei comunicări sigure și al progresului fizicii”, spune Villoresi. Dar acesta nu este singurul motiv pentru care a acceptat provocarea. „Pot să spun mai sincer că este grozav.”

Interferența cuantică este o realitate pentru particulele minuscule precum fotonii. Așa cum ondulațiile dintr-un iaz pot interfera unele cu altele, crescând sau scăzând în înălțime pe măsură ce se ciocnesc, particulele cuantice – care au proprietăți ondulatorii – pot interfera cu ele însele (SN Online: 9/15/14). Această interferență amplifică sau diminuează probabilitatea ca o particulă să apară într-un anumit moment sau loc.

Pentru a produce interferența cuantică, oamenii de știință au împărțit mai întâi fotonii în două – o performanță posibilă deoarece particulele mecanice cuantice pot fi în două locuri simultan, o stare cunoscută sub numele de suprapunere. Oamenii de știință au trimis impulsuri de lumină printr-un aparat optic, proiectat astfel încât fiecare foton să traverseze două căi simultan înainte de a se recombina pe cealaltă parte. Dar pentru că una dintre căi era mai lungă decât cealaltă, când un foton a ieșit în celălalt capăt, a fost împărțit în două pachete, unul întârziat cu câteva miliarde de secundă în spatele celuilalt. O astfel de stare este cunoscută ca o suprapunere temporală.

Un telescop de urmărire prin satelit, situat la Matera Laser Ranging Observatory din Italia, a transmis apoi fotonii către un satelit în orbită echipat cu reflectoare care au aruncat fotonii înapoi în direcția din care au venit. Fotonii s-au întors la telescop și au călătorit înapoi prin configurația optică într-un detector. Datorită interferenței cuantice, distribuția timpilor de sosire a fotonilor a fost diferită de cea așteptată în cazul non-cuantic. Iar cantitatea de interferență a variat în funcție de viteza satelitului – în acord cu predicțiile oamenilor de știință.

„Este destul de dificil să faci aceste legături între un satelit și o stație terestră”, spune fizicianul Hugo Zbinden de la Universitatea din Geneva, care nu a fost implicat în cercetare. Oamenii de știință au transmis anterior proprietățile cuantice ale fotonilor prin satelit, dar acești fotoni se aflau în suprapoziții de polarizare – câmpurile electrice ale fotonilor erau orientate în două direcții simultan. Suprapozițiile temporale au unele avantaje față de suprapozițiile de polarizare. De exemplu, polarizarea s-ar putea pierde atunci când fotonul sare de pe satelit, spune Zbinden.

Noul rezultat indică faptul că comunicarea cuantică poate funcționa în afara mediilor curate de laborator. „Dacă acest lucru ar putea supraviețui pe distanțe atât de lungi și condiții experimentale dure, aceasta a fost o mare întrebare”, spune fizicianul Alexander Sergienko de la Universitatea din Boston. „Toți ceilalți fac asta fie în laborator, fie într-un mediu liniștit undeva.”