En kinesisk satellit har delat par "intrasslade fotoner" och överfört dem till separata markstationer med 1 200 mil (1 200 kilometer) från varandra, vilket krossade den tidigare distansposten för en sådan prestation och öppnar nya möjligheter inom kvantkommunikation.
I kvantfysik, när partiklar interagerar med varandra på vissa sätt blir de "intrasslade." Detta betyder i huvudsak att de förblir anslutna även om de är separerade med stora avstånd, så att en åtgärd som utförs på den ena påverkar den andra.
I en ny studie som publicerades online idag (15 juni) i tidskriften Science, rapporterar forskare den framgångsrika distributionen av intrasslade fotonpar till två platser på jorden åtskilda med 1 203 km.
Kvantförvirring har intressanta applikationer för att testa fysiska grundläggande lagar, men också för att skapa exceptionellt säkra kommunikationssystem, har forskare sagt. Det beror på att kvantmekanik säger att mätning av ett kvantsystem oundvikligen stör det, så att varje försök att avlyssna är omöjligt att dölja.
Men det är svårt att fördela intrasslade partiklar - normalt fotoner - över stora avstånd. När man reser genom luft eller över fiberoptiska kablar stör miljön partiklarna, så med större avstånd sönder signalen och blir för svag för att vara användbar.
2003 startade Pan Jianwei, professor i kvantfysik vid University of Science and Technology i Kina, arbetet med ett satellitbaserat system utformat för att stråla sammantrasslade fotonpar ner till markstationer. Tanken var att eftersom det mesta av partikelns resa skulle vara genom rymdvakuumet skulle detta system införa betydligt mindre miljöförstöring.
"Många tyckte då att det var en gal idé, eftersom det redan var mycket utmanande att göra de sofistikerade kvantoptiksexperimenten i ett väl avskärdat optiskt bord," sa Pan till Live Science. "Så hur kan du göra liknande experiment på tusen kilometer avståndskala och med de optiska elementen som vibrerar och rör sig med en hastighet av 8 kilometer per sekund?"
I den nya studien använde forskare Kinas Micius-satellit, som lanserades förra året, för att överföra de intrasslade fotonparen. Satelliten har en ultralätt sammanfiltrerad fotonkälla och ett APT-system med hög precision, som använder fyrljus på satelliten och vid tre markstationer för att ställa upp sändare och mottagare.
När fotonerna nådde markstationerna genomförde forskarna tester och bekräftade att partiklarna fortfarande var sammansvetsade trots att de hade färdats mellan 1 600 mil och 1 600 mil (1 600 och 2,400 km), beroende på vilket stadium i dess bana satelliten var placerad på.
Endast de lägsta 10 milen av jordens atmosfär är tillräckligt tjocka för att orsaka betydande interferens med fotonerna, säger forskarna. Detta innebär att den totala effektiviteten för deras länk var mycket högre än tidigare metoder för att distribuera intrasslade fotoner via fiberoptiska kablar, enligt forskarna.
"Vi har redan uppnått en fördelningseffektivitet med två fotoner, en biljon gånger mer effektiv än att använda de bästa telekommunikationsfibrerna," sade Pan. "Vi har gjort något som var helt omöjligt utan satelliten."
Förutom att utföra experiment är en av de potentiella användningarna för denna typ av system för "kvantnyckeldistribution", där kvantkommunikationssystem används för att dela en krypteringsnyckel mellan två parter som är omöjligt att fånga utan att varna användarna. När det kombineras med rätt krypteringsalgoritm är detta system obrottsbart även om krypterade meddelanden skickas över normala kommunikationskanaler, säger experter.
Artur Ekert, professor i kvantefysik vid University of Oxford i Storbritannien, var den första som beskrev hur sammantrasslade fotoner skulle kunna användas för att överföra en krypteringsnyckel.
"Det kinesiska experimentet är en anmärkningsvärd teknisk prestation," berättade Ekert för Live Science. "När jag föreslog den intrasslade baserade kvantnyckeldistributionen 1991 när jag var student i Oxford förväntade jag mig inte att den skulle höjas till sådana höjder!"
Den nuvarande satelliten är dock inte riktigt klar för användning i praktiska kvantkommunikationssystem, enligt Pan. För en innebär dess relativt låga omloppsbana att varje markstation har täckning endast cirka 5 minuter varje dag, och våglängden för de använda fotonerna betyder att den bara kan fungera på natten, sade han.
Att öka täckningstiderna och områdena kommer att innebära att nya satelliter lanseras med högre banor, sa Pan, men detta kommer att kräva större teleskop, mer exakt spårning och högre länkeffektivitet. Dagdrift kommer att kräva användning av fotoner i telekommunikationsvåglängderna, tillade han.
Men medan utvecklingen av framtida nätverk för kvantkommunikation kommer att kräva betydande arbete, sa Thomas Jennewein, docent vid University of Waterloos Institute for Quantum Computing i Kanada, Pans grupp har visat en av de viktigaste byggstenarna.
"Jag har arbetat i den här forskningen sedan 2000 och forskat på liknande implementeringar av kvantförviklingsexperiment från rymden, och jag kan därför mycket vittna om den djärvhet, engagemang och färdigheter som den kinesiska gruppen har visat," sa han till Live Science .
