Udało się zrealizować kolejny ważny krok w kierunku wykorzystania przestrzeni kosmicznej do prowadzenia komunikacji kwantowej oraz do badań nad zjawiskami kwantowymi w warunkach mikrograwitacji. Stało się to za sprawą nanaosatelity SpooQy-1, który zrealizował eksperyment demonstrujący splątanie kwantowe fotonów w warunkach kosmicznych [1]. Misja została przeprowadzona przez Centrum Technologii Kwantowych w Singapurze, we współpracy z partnerami ze Szwajcarii, Australii i Wielkiej Brytanii.

Pierwsze eksperymenty satelitarne z wykorzystaniem splątanych stanów fotonów zostały zrealizowane w ostatnich latach przez chińskiego satelitę średniego typu o nazwie Micius [2]. Jednakże, dopiero teraz udało się przeprowadzić eksperyment ze splątanymi stanami kwantowymi fotonów z wykorzystaniem miniaturowego nanosatelity typu CubeSat. W standardzie tym, nanosatelity budowane są z jednostek (unitów) w postaci sześcianów o długości krawędzi równej 10 cm. Pojedynczą kostkę określamy jako 1U – jedna jednostka. Nanosatelita SpooQy-1 zbudowany został z trzech jednostek (3U), przy czym, systemy sterowania, łączności i zasilania zamknięto w jednym z nich (1U), eksperyment kwantowy zajmował zaś pozostałe dwa bloki (2U).

Misja SpooQy-1 powstała na bazie wcześniejszego projektu nanosatelitarnego Galassia (2U), który w 2016 roku wykonał orbitalne testy układu do generowania splątanych stanów kwantowych kwantowych [3]. W ramach tej misji nie udało się jednak dokonać pomiarów samego splątania kwantowego. Z uwagi na stosunkowo niskie koszty zarówno budowy jak i umieszczania na niskiej orbicie okołoziemskiej CubseSatów, przeprowadzone misje torują drogę do realizacji kolejnych nanosatelitarnych projektów kwantowych przez mniejsze grupy naukowców i inżynierów.

Żeby zrozumieć znaczenie przeprowadzonego na pokładzie nanosatelity SpooQy-1 eksperymentu, warto przybliżyć (lub jedynie odświeżyć) to co rozumiemy przez splątanie kwantowe.   W tym celu, rozważmy foton, czyli podstawową porcję (kwant) pola elektromagnetycznego. Fotony, oprócz odpowiadającej im długości fali, czy też zbioru długości fali składających się na tak zwaną paczkę falową, posiadają również dwa wewnętrzne stopnie swobody związane z ich polaryzacją.  Wypadkowa polaryzacja fotonu ma postać kwantowej superpozycji dwóch stanów bazowych polaryzacji. Jako stany bazowe możemy wybrać przykładowo dwie prostopadłe względem siebie polaryzacje – poziomą (H – horizontal) oraz pionową (V – vertical). Kierunki polaryzacji są ustalone względem referencyjnego układu odniesienia, takiego jaki wyznacza chociażby płaszczyzna stołu optycznego.

Fotony możemy przygotować w stanach o pożądanej polaryzacji liniowej przepuszczając je przez polaryzator.  Jeśli będzie on ustawiony np. w pozycji H, to foton o początkowej dowolnej polaryzacji, po przejściu przez taki polaryzator znajdzie się stanie H. Ciekawą sytuacją jest, kiedy pozycja polaryzatora nie będzie pokrywała się z jedną z pozycji bazowych H i V, leczy np. będzie względem każdej z nich obrócona o 45 stopni. Odpowiada to polaryzacjom diagonalnej (D – diagonal) oraz antydiagonalnej (A – anti-diagonal). Wtedy to, analizując np. fotonu w stanie o polaryzacji D za pomocą analizatora złożonego z polaryzatorów ustawionych w pozycjach H i V, zaobserwujemy tak zwaną redukcji stanu kwantowego. Statystycznie, przepuszczając przez analizator pewną liczną fotonów przygotowanych w stanie D, połowę z nich zarejestrujemy jako będące w stanie H, a połowę w stanie V. Stan o polaryzacji D możemy więc uznać za superpozycję kwantową stanów bazowych H i V, z jednakowym rozkładem prawdopodobieństw równym 1/2. W trakcie aktu pomiaru, jakim jest analiza polaryzacji, stan ten redukuje się do jednego ze stanów bazowych (H,V) i pozostaje w nim.

Przejście od koncepcji superpozycji kwantowej do splątania kwantowego wymaga rozszerzenia powyższej dyskusji do przypadku stanu kwantowego dwóch lub więcej fotonów.  Do wyjaśnienia eksperymentu przeprowadzonego w misji SpooQy-1, wystarczy nam rozważanie splątania kwantowego dwóch fotonów. Tym bardziej, że jest to sytuacja najpowszechniejsza, a wytwarzanie stanów splątanych trzech i większej liczby fotonów jest wciąż raczkującym obszarem doświadczalnej optyki kwantowej.

Splątanie kwantowe jest szczególnym typem superpozycji kwantowej w układzie cząstek, takich jak fotony, prowadzące do występowania nielokalnych korelacji pomiędzy nimi.  Stanami dwufotonowymi, w których możemy zaobserwować splątanie kwantowe są w szczególności stany Bella: Φ+, Φ-, Ψ+ i Ψ-.  Stany te są szczególnie interesujące z tego powodu, że należą do przypadku w którym splątanie kwantowe jest najsilniejsze (mówimy, że są to stany maksymalnie splątane).

Przyjrzyjmy się teraz bliższej przypadkowi fotonów przygotowanych w stanie Φ+, co przedstawia rysunek poniżej. Fotony takie, wyemitowane ze źródła stanu splątanego, propagują się następnie do odległych punktów A i B, w których następuje pomiar. Podobnie jak w omawianym powyżej przypadku pojedynczego fotonu, a priori możemy z równym prawdopodobieństwem oczekiwać zarejestrowania każdego z fotonów w stanie o jednej z dwóch polaryzacji: H lub V. W tym momencie dochodzimy jednak do jednej z  najbardziej enigmatycznych własności mechaniki kwantowej. Mianowicie, jeśli dokonamy analizy polaryzacji jednego z fotonów, to będzie to miało natychmiastowy wpływ na wynik pomiaru przeprowadzonego na tym drugim. Jeśli np. w wyniku pomiaru okaże się, że foton w punkcie A jest stanie o polaryzacji H, to ze stuprocentową pewnością, analizując drugi foton w punkcie B, zaobserwujemy, że znajduje się on również w stanie H. Natomiast, jeśli nie dokonalibyśmy pomiaru w punkcie A, to wynik pomiaru w punkcie B wynosiłby w 50% przypadków H i w 50% przypadków V. Ta natychmiastowa redukcja stanu kwantowego,  odbiegająca od tak zwanego lokalnego realizmu, okazała się trudna do zaakceptowania przez wielu fizyków, co znalazło ucieleśnienie między innymi w paradoksie EPR (Einsteina-Podolskiego-Rosena). Przypuszczano, że mogą istnieć pewne dodatkowe (nieobserwowane) stopnie swobody, tak zwane zmienne ukryte,  znajomość których pozwoliłaby przewidzieć wyniki pomiarów i uniknąć konieczności natychmiastowej redukcji stanu kwantowego pomiędzy odległymi punktami.  Możliwość występowania zmiennych ukrytych, przynajmniej tych lokalnego typu, wyeliminował ostatecznie w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku północnoirlandzki fizyk John Bell, ten sam od którego nazwiska pochodzi wprowadzona powyżej rodzina stanów kwantowych.

Rozważając korelacje pomiędzy wynikami pomiarów w punktach A, B wykazał on, że hipoteza zmiennych ukrytych wymaga spełnienia określonej nierówności pomiędzy wynikami pomiarów w różnych bazach. W celu wprowadzenia tej nierówności, oznaczmy wyniki pomiarów w bazie (H,V) w punktach A i B odpowiednio a i b. Natomiast, dla alternatywnego wyboru bazy, np. (D,A), niech wyniki pomiarów  w punktach A i B wynoszą a’ i b’. Korzystając z tych oznaczeń, możemy rozważań cztery różne konfiguracje dla funkcji korelacji, E(a,b), E(a’,b), E(a,b’) i E(a’,b’),  które pozwalają nam zdefiniować wielkość:

S =  E(a,b) – E(a,b’) + E(a’,b) + E(a’,b’),

zwaną parametrem CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt).  Jak wykazał Bell, teoria lokalnych zmiennych ukrytych wymaga, żeby parametr ten spełnia następującą nierówność (zwana nierównością Bella, lub też nierównością Bella-CHSH):

|S|≤ 2.

Okazuje się jednak, że stany splątane takie jak rozważane tu stany Bella, jawnie łamią tę nierówność, przecząc lokalnemu realizmowi.

Wynik ten wspiera postrzeganie mechanik kwantowej jako teorii w pewnym stopniu nielokalnej. Mianowicie, stan splątany dwóch cząstek kwantowych traktujemy jako jeden obiekt kwantowy i niezależnie od tego czy jedna jego część znajduje się w dużej odległości od drugiej, ingerencja w tą pierwszą poniesie za sobą natychmiastowy skutek dla tej drugiej i vice versa. Jednakże, wbrew pierwotnym obawom, wyrażonym w paradoksie EPR, nie jest w ten sposób możliwa nadświetlna wymiana informacji. Pomimo, że splątanie kwantowe nie pozwala urzeczywistnić wizji znanych chociażby z serialu Star Trek, znajduje ono zastosowanie w komunikacji. Ma to miejsce za sprawą zarówno możliwości przeprowadzania za jej pośrednictwem tak zwanej teleportacji stanów kwantowych jak i kwantowej dystrybucji klucza. Oba te procesy zachodzą z prędkością światła w danym ośrodku, która jest mniejsza lub równa prędkości światła w próżni.

To drugie zastosowanie, czyli kwantowa dystrybucja, stanowiąca jeden z głównych filarów kryptografii kwantowej,  przyciąga szczególnie duże zainteresowanie i stanowiła jedną z głównych motywacji do przeprowadzenia misji SpooQy-1. Wytworzone stany Bella pozwalają m.in. na realizację protokołu Ekerta (E91) kwantowej dystrybucji klucza [4]. W podejściu tym, zaufana jednostka (na przykład nanosatelita) wytwarza pary splątanych fotonów, wysyłając jeden z nich do punku A a drugi do punktu B. Analizując otrzymane fotony, można otrzymać ciągi wyników pomiaru polaryzacji, np. HVHHVHVHV…. Przypisując zaś stanom polaryzacji wartości binarne np. H->0 i V->1, otrzymujemy ciąg bitów 010010101…, który może stanowić sekretny klucz, stosowany w protokołach klasycznej kryptografii symetrycznej. Przygotowując fotony np. w stanie Φ+, mamy pewność, że jeśli odbiorca A zarejestrował ciąg  010010101…, to taki sam ciąg zaobserwuje również odbiorca klucza w punkcie B.  Dodatkowym elementem takiego protokołu jest sprawdzenie na części bitów tego czy nie nastąpił podsłuch transmisji. Po pomyślnej weryfikacji, uzyskujemy wynikającą z praw mechaniki kwantowej gwarancję poufności wymienionego klucza.

Za pomocą satelity SpooQy-1, przeprowadzono testy zarówno wytwarzania jaki i analizy stanów splątanych. Splątane fotony nie były jednak emitowane poza nanosatelitę,  do odbiorców w przestrzeni kosmicznej lub na powierzchni Ziemi.  To już będzie stanowiło przedmiot kolejnych misji. W ramach tego projektu, cały eksperyment został przeprowadzony w obrębie zamkniętego modułu doświadczalnego, zawierającego źródło splatanych fotonów oraz ich analizator.

Do wytworzenia par splątanych kwantowo fotonów wykorzystano, powszechnie stosowany w warunkach laboratoryjnych, proces zwany spontanicznym parametrycznym obniżaniem częstości (SPDC – Spontaneous Parametric Down-Conversion). W zjawisku tym, wysokoenergetyczny (np. ultrafioletowy) foton ulega w optycznie nieliniowym ośrodku konwersji na dwa niżej-energetyczne fotony, występujące już w stanie splątanym. Wyniki przeprowadzonego eksperymentu raportują o wytworzeniu w ten sposób, w warunkach kosmicznych, stanu Bella Φ- (jest to stan bardzo podoby do stanu Φ+, różniący się od niego jedynie względną fazą pomiędzy stanami bazowymi).

W układzie eksperymentalnym, jako źródło fotonów zastosowano diodę laserową (LD) , generującą wiązkę fotonów o długości fali 405 nm (granica światła widzialnego, w stronę bliskiego ultrafioletu) i szerokości spektralnej równej 160 MHz. Do wytworzenia stanów splątanych wykorzystano dwie płytki wykonane z boranu baru (BBO), pomiędzy którymi ustawiono płytkę półfalową (HWP), dokonującą obrotu polaryzacji o 90 stopni. W celu usunięcia z wiązki wejściowego (pompującego) światła laserowego, które nie uległo konwersji w procesie SPDC, zastosowano lustro dichroiczne (DM1), pełniące funkcję filtru.  Natomiast, aby skompensować dyspersję otrzymanych fotonów na drodze optycznej zastosowano kryształ wanadanu (V) itru – YVO4. Tak otrzymany sygnał został rozdzielony do dwóch analizatorów za pomocą kolejnego lustra dichroicznego (DM2). Każdy z nich składał się z ciekłokrystalicznego rotatora polaryzacji (LCPR), polaryzatora (P) oraz fotodiody lawinowej (GM-APD) i analizował jeden z fotonów należący do kwantowo splątanej pary. Zarejestrowane fotony uznawano za pochodzące z jednej splątanej kwantowo pary jeśli zaobserwowano je w oknie czasowym o szerokości ~ 5 ns.

Za pomocą takiego układu doświadczalnego, przeprowadzono eksperyment w którym wykazano, że wartość parametru S, dla wytworzonych w procesie SPDC stanów Bella przyjmuje wartości większe od klasycznej granicy S=2, a mniejsze od teoretycznie przewidzianej wartości równej S=2√2≈2.83. Uśredniona, otrzymana w ramach eksperymentu wartość to S=2.60±0.07 > 2. Potwierdzono tym samym łamanie nierówności Bella w warunkach orbitalnych. Otrzymany w eksperymencie poziom błędów, odpowiadający parametrowi QBER (Quantum Bit Error Rate) równemu ~ 4 % (około cztery na 100 transmitowanych bitów są błędne), jest wystarczający do tego żeby pomyślnie przeprowadzać kwantową dystrybucję klucza. To wymagać będzie jednak dostosowania układu doświadczalnego do pracy z laserem o większej mocy i układem optycznym umożliwiającym dalekodystansową komunikację optyczną.

Przybliżone tu wyniki grupy z Centrum Technologii Kwantowych w Singapurze, którego dyrektorem do niedawna pozostawał Polak prof. Artur Ekert, to z jednej strony zwieńczenie wielu lat intensywnej pracy a z drugiej preludium do kolejnych, jeszcze szerzej zakrojonych, kwantowych projektów kosmicznych.  Do następnych milowych kroków należą niewątpliwie przeprowadzanie kwantowej dystrybucji klucza pomiędzy dwiema nanosatelitami [5] oraz pomiędzy nanosatelitą a stacją naziemną [6].  Prace w tym kierunku, w szczególności w kontekście wykorzystania łatwiejszej wersji kwantowej dystrybucji klucza nie opartej na splątaniu kwantowym, już trwają. Ponadto, nanosatelitarne eksperymenty ze splątaniem kwantowym w warunkach orbitalnych otwierają możliwość do badań podstawowych, szczególnie w kontekście związku pomiędzy teorią grawitacji w fizyką kwantową.  Warte podkreślenia jest to, że dzięki wykorzystaniu platform typu CubeSat, projekty tego typu stają się możliwie do realizacji również w warunkach polskich.  W kierunku tym zwracamy się ramach działającego na Uniwersytecie Jagielloński w Krakowie zespołu naukowego Quantum Cosmos Lab.

Biblografia

[1] Aitor Villar, et al., Entanglement demonstration on board a nano-satellite, Optica 7, 734-737 (2020).
[2] J-G Ren et al., Ground-to-satellite quantum teleportation, Nature 549, 70–73 (2017).
[3] Zhongkan Tang, et al., Generation and Analysis of Correlated Pairs of Photons aboard a Nanosatellite, Phys. Rev. Applied 5, 054022  (2016).
[4] Artur K. Ekert, Quantum cryptography based on Bell’s theorem, Phys. Rev. Lett. 67, 661 (1991).
[5] Denis Naughton, et al., Design considerations for an optical link supporting intersatellite quantum key distribution, Optical Engineering 58(1), 016106 (2019).
[6] R. Bedington, et al., Nanosatellite experiments to enable future space-based QKD missions, EPJ Quantum Technology 2016 3:12 (2016).

         © Jakub Mielczarek

Artykuł został opublikowany na portalu Space24.