انتقال عملی تک‌فوتون‌ها در فاصله‌ی ۲۰ هزار کیلومتری مابین ماهواره‌هایی در مدار زمین و ایستگاهی زمینی در ایتالیا به اثبات رسیده است. این کار توسط پژوهش‌گرانی به رهبری پائولو ویلورسی (Paolo Villoresi) از دانشگاه پادوا انجام گرفته است. به گفته‌ی وی این تبادل تاییدی بر امکان‌پذیر بودن ارتباطات کوانتومی در مقیاس جهانی است.

سامانه‌های ماهواره‌ای ناوبریِ جهانی (GNSSs) شامل ماهواره‌هایی هستند که سیگنال‌های زمان‌بندی‌شده را به گیرنده‌های زمینی مثل تلفن‌های همراه یا سامانه‌های جهت‌یابی وسایل نقلیه ارسال می‌کنند. چندین کشور، ماهواره‌های خودشان را که به دور زمین در حال چرخش هستند در فواصل ۱۹ هزار تا ۳۶ هزار کیلومتری زمین قرار داده‌اند.

شبکه‌ی جهانی: سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای بزودی به امنیت کوانتومی مجهز خواهند شد.

این سامانه‌‌ها با استفاده از امواج میکرو و در یک گیگاهرتز عمل می‌کنند و این یعنی یک سیگنال GNSS به‌سادگی ممکن است توسط عوامل مخرب مختل شده یا متوقف شود. این موضوع به دلیل اهمیت GNSSها در اقتصاد و امنیت‌ کشورهایی که از آن استفاده می‌کنند، یک مشکل به حساب می‌آید.

کلیدهای کوانتومی

ارتباطات کوانتومی از تک‌فوتون‌ها بهره گرفته و راهی برای بدست آوردن ارتباطات ایمن و قوی را پیشنهاد می‌دهند. این ارتباطات می‌تواند مابین ماهواره‌ها و همچنین بین ماهواره‌ها و گیرنده‌های زمینی استفاده شوند. به عنوان مثال، یک فناوری بخوبی شناخته شده موسوم به توزیع کلیدی کوانتوم (QKD) را می‌توان به عنوان رمزنگاری GNSS و دیگر سیگنال‌ها استفاده کرد.

فناوری‌های کوانتومی شامل تبادل تک‌فوتون‌هاست که پیش‌تر برای ماهواره‌هایی که نسبتاً نزدیک به زمین قرار گرفته‌اند، به اثبات رسیده است. در سال ۲۰۱۶ ویلورسی و همکارانش به فاصله‌ی انتقال ۷۰۰۰ کیلومتری دست یافتند. سال بعد فیزیک‌دانانی از چین و اتریش از ماهواره‌ای استفاده کردند تا به QKD در فاصله‌ی ۷۴۰۰ کیلومتری بین پکن و وین دست یابند.

ارتباطات طولانی‌تر

GNSS و دیگر ماهواره‌ها که در فواصل ۱۹۰۰۰ تا ۳۶۰۰۰ کیلومتری از سطح زمین قرار دارند، نسبت به ماهواره‌هایی که در مدارهای پایین‌تر قرار دارند، با سرعت کمتری حرکت می‌کنند. در نتیجه چنان ماهواره‌هایی قادرند برای فواصل بیشتر (با ایستگاه‌های زمینی انفرادی) ارتباط برقرار کنند و بنابراین برای شبکه‌های ایجاد ارتباطات کوانتومی مورد بهتری به حساب می‌آیند. با این حال، مبادله تک‌فوتون‌ها در این فاصله‌ها یک چالش محسوب می‌شود.

تیم ویلاروسی این کارشان را با استفاده از آرایه‌های ضدانفجاری انجام داده‌اند که بر روی ماهواره‌های GNSS GLONASS‌ روسی سوار شده است. در طی این کار که در طی ماموریت فضایی در رصدخانه لایسنس (MLRO) ایتالیا انجام گرفته، پژوهش‌گران قطاری از پالس‌های لیزری را به سمت ماهواره‌های GLONASS شلیک کرده‌اند. این نور سپس به سمت MLRO بازگشته و توسط آشکارساز تک‌فوتونی جمع آوری شده است.

محققان با تخمین اتلافی که در این کانال ارتباطی روی داده است، قادر به اثبات وجود فناوری می‌شوند که بتواند برای ایجاد تک فوتون‌های حامل کلید کوانتومی بکار رود. در مطالعات آینده آن‌ها منابع فعال فوتون‌های QKD را توسعه خواهند داد تا روی برد ماهواره‌های GNSS قرار داده شوند.

این پژوهش در مجله‌ی علوم و فناوری کوانتومی توصیف شده است.

منبع:

Single-photon exchange confirmed over record-breaking distance of 20,000 km