Извънземни цивилизации биха могли потенциално да изпращат квантови съобщения на огромно разстояние през космоса – нещо, което в крайна сметка бихме могли да направим и ние, според ново изследване от Университета на Единбург в Шотландия.
За да разберем как това може да работи, трябва да се поразровим малко в квантовите явления и как квантовите мрежи са се появили на Земята. Какви са опасностите и силните страни на квантовата комуникация в тези две много различни среди?
Физиците Арджун Берера (Arjun Berera) и Хайме Калдерон – Фигуеро (Jaime Calderón-Figuero) написаха нова статия, публикувана в края на миналия месец в списанието Physical Review D, като литературен преглед и мисловно упражнение за една потенциална версия на междузвездна комуникация.
Те откриха, че същите квантови феномени, които се свързват в по-малки мрежи тук на Земята, могат да се използват в широки участъци от космоса; вместо да разчитат на по-традиционна среда като оптичен кабел, тези съобщения могат да се изпращат по въздуха (или при липса на въздух).
Техните изчисления показват, че фотонните лъчи могат да пътуват достатъчно далеч, за да пресекат цялата галактика Млечен път, което означава, че съобщенията може да са навсякъде около нас, ако просто знаехме как да слушаме.
Учените установиха, че докато тези съобщения ще бъдат повлияни от гравитацията по време на дългото им пътуване през галактиката, те няма да „декохерират“, ключов термин, който означава, че квантовите феномени са изпаднали от деликатното квантово състояние. Съобщението може да е деформирано, но те пак ще бъдат четливи.
Учените открили, че фотоните в оптичния спектър (което означава цветовете на видимата светлина) биха били по-малко засегнати от гравитацията, отколкото тези в невидимия диапазон на рентгеновите лъчи; но би било по-лесно да се открият повтарящи се съобщения в рентгеновия диапазон, което ги прави по-добър кандидат.
Квантовите комуникации на Земята и в космоса имат едно критично общо нещо: те разчитат на квантово състояние, наречено заплитане. За помощ при разбирането разговаряхме с Дейвид Авшалом, физик, който ръководи Чикагската квантова борса. „Не че просто се опитвате да изпратите информация от едно място на друго“, обяснява той. „Вземате част от информацията и тя обхваща две пространствено отделни местоположения.“
В този случай това означава местоположения на много светлинни години едно от друго. Хората, които „гледат“ всеки край на заплетените частици, ще видят абсолютно същата информация. (Любопитно е, че докато информацията се актуализира мигновено, тя може да бъде видяна само след скоростта на светлината, като да чуете звуковия гърмеж, след като видите светкавицата.) Частиците в заплетеното квантово състояние действат като група, споделят информация като група, и са вътрешно свързани.
Помислете за състоянието на квантовото заплитане като за деликатния филм върху един от онези огромни балончета. Когато всички частици в сместа от перилни препарати се съединят, те могат да направят чудотворни неща. Но веднага щом нещо наруши някоя част от филма, целият ефект се унищожава. На Земята заплетените фотони са защитени във вътрешността на оптични мрежи.
Оптичните влакна работят чрез отскачане на лъчи светлина по „ядра“, направени от стъкло или пластмаса, независимо дали в тънки, едномодови кабели или по-дебели многомодови кабели. Това означава, че средата е стъкло на Земята, но разреден въздух (или изобщо няма въздух) в космоса.
Ако си мислите, че изпращането на лъчи през стъкло вместо въздух вероятно е много по-предизвикателно по отношение на съпротивлението и производителността, прави сте. Това е една от причините, поради които оптичните мрежи и почти всички комуникационни мрежи в крайна сметка използват вид технология, наречена повторител.
Това е устройство, което обикновено е вградено в мрежовата инфраструктура и поглъща и усилва всякакви сигнали, които идват, и те се прилагат както за кабелен, така и за безжичен интернет, например. (Те дори са на път за безжично електричество!)
В квантовата сфера обаче не е толкова лесно. Как „повтаряте“ един фотон в заплетено състояние, когато самият акт на гледането му нарушава състоянието, както е продиктувано от ефекта на наблюдателя, който е в основата на квантовата физика? (Всъщност това е една от причините квантовото заплитане да има толкова богати приложения в сигурността: информацията може да се съхранява по начин, който вродено се самоунищожава, ако някой наблюдател я прихване.) В космоса няма опция за ретранслатор. За щастие също наистина няма нужда.
„Изпращането на светлина през космоса има тенденция до голяма степен да избягва този проблем“, обяснява Авшалом. Въздухът или липсата на въздух е по-лесна среда с по-малко съпротивление, но все още има предизвикателства. „Ако преминете през нашата атмосфера и сте в космоса, какво може да влоши квантовите и оптичните сигнали, преминаващи през вакуума на космоса? Въздействията там са неща като гравитация, междузвездни частици като прах, неща, които биха могли да разпръснат светлината, като осветяване на фенерче в много прашна стая.
Ето защо изследователите от Единбург се фокусират върху точността на сигнала и как най-добре да приемат трептящите фотони от космоса. В космоса техният проблем всъщност не е декохерентността, която е най-големият враг на всякаква квантова мрежа за данни, когато частиците изпадат от квантовото състояние и връзката се разрушава. И каква дължина на вълната избирате има значение поради свойствата, които имат тези дължини на вълната, като начина, по който рентгеновите лъчи могат да преминат през по-голямата част от човешкото тяло, срещу оптичната светлина, която вместо това хвърля сянка.
Във влакнесто-оптичните мрежи сигналите се съдържат физически, защото отскачат в топологията на окабеляването. Едномодовото окабеляване дава на сигнала по-малко място за отскачане, което означава, че той може да пътува по-далеч, без да се влошава и губи мощност, отколкото многомодовото окабеляване. В космоса няма отскачане, но това също означава, че няма задържане. Фотоните могат да летят по всякакъв начин, блъскани и дърпани от гравитацията. А във въздуха на и около Земята има и други рискове, като влажност; представете си, че светите със светлина в мъглата.
Успешният квантов сигнал ще трябва да работи като специалните фарове за мъгла на вашия автомобил, опитвайки се да заобиколи влажния облак, за да избегне разсейването на светлината.
Вече има прецедент за изпращане на квантови сигнали във въздуха с помощта на сателити, казва Авшалом. Китайският сателит Micius, например, е изпратил сигнали на доста големи разстояния до и от най-отдалечената част на земната атмосфера в ниска околоземна орбита. И ако станциите за изпращане на тези сигнали са разположени на високи точки като планини, те могат да избегнат много от проблемите, свързани с по-високата влажност.
Авшалом смята, че бъдещето на внедрените квантови мрежи за данни ще включва мултимедиен подход, буквално, защото въздухът и влакното са различни среди. Почти всички съществуващи комуникации (и комунални услуги!) работят като големи дървета или фрактали, където дебели стволове свързват най-големите райони с население и след това се разклоняват във все по-малки и по-малки системи за доставка. Багажникът на една квантова комуникационна мрежа може да бъде базиран на сателит, казва Авшалом, докато градовете могат да създават мрежи за своята инфраструктура от домове и фирми, използвайки вместо това оптични влакна.
Всичко е въпрос на намиране на най-добрия начин фотоните да останат заплетени. „Всеки фотон има значение“, казва Авшалом.
