Šéfovia čínskeho vesmírneho programu asi majú dôvod na spokojnosť. Jednému zo série veľkých vesmírnych experimentov, ktoré majú Čínu dotiahnuť medzi mocnosti v kozmickom výskume, sa už po niekoľkých mesiacoch prevádzky podarilo dosiahnuť vytúžený úspech. Tímu čínskych fyzikov sa podarilo uskutočniť prenos "kvantového signálu" zo Zeme na obežnú dráhu a zase späť. Úspech opisuje práca zverejnená v časopise Science.
Nejde o nejakú fyzikálnu "podivnosť", tento typ kvantovej komunikácie môže mať celé množstvo veľmi praktických použití. Postup by mohol byť využiteľný napríklad pri tvorbe úplne novej generácie počítačov (kvantových počítačov). V dohľadnej dobe by mohol veľmi prakticky slúžiť napríklad pre zabezpečenie a overovanie počas prenosu dát (tj. napríklad k detekcii odposluchu). Čo je extrémne zaujímavé nielen pre vlády, či tajné služby, ale tiež napríklad finančné inštitúcie - a s nárastom internetovej kriminality samozrejme aj pre množstvo ďalších užívateľov.
Nejde o prvý pokus o kvantovú komunikáciu na väčšie (tj. rádovo aspoň stokilometrové) vzdialenosti, ale ide o prvý pokus o realizáciu technicky náročného spojenia s rýchlo sa pohybujúcim satelitom na obežnej dráhe. Rovnako ako predchádzajúce pokusy, mnohé z nich čínske, prebieha s pomocou párov dvoch tzv. kvantovo previazaných častíc. To znamená, že tieto častice sú - a to je len prirovnanie, nie opis reality - "prepojené". Keď jednu z nich zmeriate, zistíte, že druhá z nich sa zachová ako by bola súčasťou jedného väčšieho systému, hoci ich fyzicky môžu deliť stovky kilometrov, ako v prípade tohto pokusu.
Ako to funguje
Experimenty s týmto typom kvantovej komunikácie prebiehajú tak, že jeden fotón si vedci nechajú na mieste (v optickom kábli), druhý pošlú na cestu k vzdialenému cieľu. Cesta je to pomerne zradná, pretože s previazanými fotónmi sa musí zaobchádzať šetrne, a o svoje "podivné" vlastnosti ľahko prídu napríklad v dôsledku zrážky s inou časticou. Tiež nie je možné signál len tak jednoducho zosilniť, a v kábloch i pri prenose vzduchom tak veľmi rýchlo slabne.
Presne to je, mimochodom, dôvod, prečo je krok mimo atmosféru tak zaujímavý a dôležitý: prstencom kvantových satelitov v takmer dokonalom vákuu na obežnej dráhe by prenos previazaných častíc bol oveľa menej stratový, a teda jednoduchší a účinnejší. Je to najlepší známy spôsob, ako kardinálny problém so stratami počas prenosu obísť.
V počiatkoch experimentov zhruba v 70. rokoch pokusy s týmto javom začínali v miniatúrnych vzdialenostiach na laboratórnom stole. Vzdialenosti postupne narastali, až v roku 2012 po prvýkrát padla hranica sto kilometrov. Výsledky čínskeho tímu z najnovšieho vydania Science popisujú prenos na vzdialenosť až 1 200 kilometrov.
Púť signálu začínala v pozemnej laserovej stanici k satelitu Mocius (či Mo-c'), ktorý Čína práve pre účely tohto experimentu vypustila v roku 2016. Meno dostal podľa čínskeho filozofa z 5. storočia p.n.l., ktorý písal aj o optike. Na palube družice lúč vstúpil do špeciálneho kryštálu, ktorý potom vyžiaril dvojicu kvantovo previazaných fotónov (s opačnou polarizáciou). Fotóny potom zamierili smerom k dvom pozemným staniciam, ktoré ležia obe v riedkom vzduchu tibetskej náhornej plošiny, aby straty v atmosfére boli čo najmenšie.
Tím úspešne zmeral celkom zhruba tisíc párov, čo je samozrejme len zlomok z celkového množstva previazaných častíc, ktoré na satelite vznikli (podarilo sa zachytiť len jeden zo šiestich miliónov). Navyše systém pracoval len v noci, prúd slnečných fotónov by vysielanie úplne zašumel. Na praktické využitie je teda evidentne príliš skoro, na druhú stranu na prvý pokus to vôbec nie je zlý výsledok. Dá sa predpokladať, že ak princíp funguje, ako sa zdá, rôzne technické vylepšenia môžu účinnosť výrazne zlepšiť. Dnes napríklad neexistujú použiteľné kvantové "zosilňovače", pretože tie bežne narušujú previazanie častíc, ale pracuje sa na nich.
Kvantá a kvantá (peňazí)
Čínsky tím evidentne dúfa, že vylepšovanie bude prebiehať pomerne rýchlo. Časopisu Science povedali, že do piatich rokov by chceli vypustiť nejaký prakticky využiteľný "kvantový" satelit či satelity. Zatiaľ ich však ešte čaká pomerne zaujímavý vedecký program aj s existujúcou družicou Mocius. Napríklad by chceli zapojiť do pokusov i kolegov z Rakúska. To znamená, že by chceli jednu previazanú časticu udržať na palube satelitu, kým sa ten nedostane na dohľad prijímača u našich juhozápadných susedov. Tím už tiež podľa časopisu Nature vykonal pokus s tzv. kvantovou teleportáciou, ale vraj ešte nie je pripravený zverejniť výsledky.
Rakúsko nie je vybrané náhodou. Šéf čínskeho tímu Ťien-Wej Pchan robil doktorát vo Viedni u veľkej postavy kvantovej experimentálnej fyziky Antona Zeilingera. Potom sa vrátil do Číny, ktorá mu ponúkla skutočne veľkorysé podmienky: všetko vyvrcholilo "kvantovým projektom v kozmickom meradle" s rozpočtom 100 miliónov dolárov, v rámci ktorého bol vypustený aj Mocius.
Rakúsky a čínsky tím sa dlho "preťahovali" v rekordných pokusoch. Zeilinger s kolegami boli napríklad prví, kto pokoril hranicu sto kilometrov. Ale v posledných rokoch, zdá sa, Európa trochu zaostala. Zeilinger sa už niekoľko rokov pokúša ESA presvedčiť, aby vypustila vlastný kvantový satelit, a aj keď má pomerne silné slovo (bol napríklad predsedom rakúskej obdoby Akadémie vied), zatiaľ sa mu to nepodarilo a čínski experimentátori tých európskych výrazne predbehli.
To neznamená, že by sa výskum "kvantovej komunikácie" mimo Číny vôbec nevykonával. Malý kvantový satelit chce vypustiť Kanada (experiment už má na lietadle overený systém vysielania kvantového signálu zo Zeme na satelit). Singapurskí fyzici majú spolupracovať s austrálskymi kolegami na skúške kvantovej komunikácie medzi dvoma satelitmi. A spoločný európsko-americký tím aspoň navrhuje umiestnenie špeciálneho kvantového zariadenia na ISS. Malo by napríklad overovať, či sa podarí kvantové previazanie udržať v mikrogravitácii lepšie či horšie ako na Zemi, teda či existuje nejaká súvislosť medzi previazaním a gravitáciou, čo je vraj pole zatiaľ experimentálne nezorané.
Čínsky tím sa však na podobné experimenty na palube Mociusu chystá tiež. Zdá sa, že Čína urobila "kvantový skok" vpred, ktorý sa zatiaľ darí podstatne lepšie ako Veľký skok pred polstoročím. Ťien-Wej Pchan to podľa BBC povedal ešte jasnejšie: "Myslím, že sme odštartovali vesmírne kvantové preteky."