Квантовые эксперименты в космическом масштабе ( QUESS ; китайский :量子科学实验卫星; пиньинь : Liàngzϐ kēxué shíyàn wèixīng ; букв. «Спутник для квантовых научных экспериментов») — китайский исследовательский проект в области квантовой физики. QUESS был запущен 15 августа 2016 года.
Проект состоит из спутника Micius , или Mozi ( китайский :墨子), в честь древнего китайского философа, которым управляет Китайская академия наук , а также наземных станций в Китае. Венский университет и Австрийская академия наук управляют европейскими приемными станциями спутника. [4] [5] Спутник проводил эксперименты по распределению квантового ключа «Космос-Земля» ( китайский :量子密钥分发), которым способствовал эксперимент по лазерной связи, проведенный на космическом лабораторном модуле Tiangong-2 . [6] [7]
QUESS — это миссия по проверке концепции, призванная облегчить эксперименты по квантовой оптике на больших расстояниях, чтобы обеспечить разработку квантового шифрования и технологии квантовой телепортации . [8] [9] [10] [11] [5] Квантовое шифрование использует принцип запутанности для облегчения связи, которая может абсолютно точно определить, перехватила ли третья сторона сообщение в пути, тем самым исключая необнаруженную расшифровку . Создавая пары запутанных фотонов , QUESS позволит наземным станциям, разделенным многими тысячами километров, устанавливать безопасные квантовые каналы . [3] Сам QUESS имеет ограниченные возможности связи: ему нужна прямая видимость , и он может работать только при отсутствии солнечного света. [12]
Планировалось запустить еще несколько спутников Micius, включая глобальную сеть к 2030 году. [12] [13]
Общая стоимость миссии составила около 100 миллионов долларов США. [2]
Первоначальный эксперимент продемонстрировал квантовое распределение ключей (QKD) между Синьцзянской астрономической обсерваторией около Урумчи и обсерваторией Синлун около Пекина — расстояние по большому кругу около 2500 километров (1600 миль). [3] Кроме того, QUESS проверил неравенство Белла на расстоянии 1200 км (750 миль) — дальше, чем любой эксперимент на сегодняшний день — и телепортировал фотонное состояние между обсерваторией Шицюаньхэ в Али , Тибетский автономный район , и спутником. [3] Это требует очень точного орбитального маневрирования и спутникового слежения, чтобы базовые станции могли поддерживать прямую видимость с кораблем. [3] [14] В 2021 году была продемонстрирована полная телепортация квантового состояния на расстоянии более 1200 км (750 миль) на земле на основе запутанности, распределенной спутником. [15]
После завершения экспериментов в Китае QUESS создал международный канал QKD между Китаем и Институтом квантовой оптики и квантовой информации в Вене, Австрия, — наземное расстояние 7500 км (4700 миль), что позволило осуществить первый межконтинентальный безопасный квантовый видеозвонок в 2016 году. [3] [4]
Первоначально запуск был запланирован на июль 2016 года, но был перенесен на август, а уведомление о запуске было отправлено всего за несколько дней. [16] Космический корабль был запущен ракетой Long March 2D со стартовой площадки 603 Цзюцюань , стартовой зоны 4 , 17 августа 2016 года в 17:40 UTC (01:40 по местному времени). [2]
Запуск представлял собой многоцелевую миссию, в которой участвовали QUESS, исследовательский спутник LiXing-1 и испанский научный спутник ³Cat-2.
Основным инструментом на борту QUESS является интерферометр « эффекта Саньяка » . [3] Это устройство, которое генерирует пары запутанных фотонов, позволяя передавать по одному из каждого на землю. Это позволит QUESS выполнять квантовое распределение ключей (QKD) — передачу безопасного криптографического ключа , который может использоваться для шифрования и дешифрования сообщений — на две наземные станции. QKD теоретически обеспечивает действительно безопасную связь. В QKD две стороны, которые хотят общаться, делятся случайным секретным ключом, передаваемым с использованием пар запутанных фотонов, отправленных со случайной поляризацией , причем каждая сторона получает половину пары. Этот секретный ключ затем может использоваться как одноразовый блокнот , позволяя двум сторонам безопасно общаться по обычным каналам. Любая попытка подслушать ключ нарушит запутанное состояние обнаруживаемым образом. [13] QKD был опробован на Земле, как с прямой видимостью между двумя обсерваториями, так и с использованием оптоволоконных кабелей для передачи фотонов. Однако, оптоволокно и атмосфера вызывают рассеивание, которое разрушает запутанное состояние, и это ограничивает расстояние, на котором может быть выполнен QKD. Отправка ключей с орбитального спутника приводит к меньшему рассеиванию, что позволяет выполнять QKD на гораздо больших расстояниях. [3]
Кроме того, QUESS может проверить некоторые из основных основ квантовой механики . Теорема Белла гласит, что никакая локальная теория скрытых переменных не может воспроизвести предсказания квантовой физики, и QUESS смог проверить принцип локальности на расстоянии более 1200 км (750 миль). [9] [3]
Эксперимент по распределению квантового ключа выиграл премию Ньюкомба Кливленда Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) в 2018 году за вклад в создание основы для сверхзащищенных сетей связи будущего. [17]
Ведущий ученый QUESS Пан Цзяньвэй сообщил Reuters , что проект имеет «огромные перспективы» в сфере обороны. [18] Спутник обеспечит безопасную связь между Пекином и Урумчи, столицей Синьцзяна , отдаленного западного региона Китая. [18] Министерство обороны США считает, что Китай стремится достичь способности противостоять использованию вражеских космических технологий. [18] Генеральный секретарь Коммунистической партии Китая Си Цзиньпин отдал приоритет космической программе Китая, которая включала испытания противоспутниковых ракет , а New York Times отметила, что квантовые технологии были в центре внимания тринадцатого пятилетнего плана , который правительство Китая изложило ранее в том же году. [19] The Wall Street Journal сообщила, что запуск вывел Китай вперед конкурентов и приблизил их к «коммуникациям, защищенным от взлома». [20] Несколько СМИ назвали утечку Эдвардом Сноуденом документов по наблюдению США стимулом для разработки QUESS, а Popular Science назвала его «спутником для эпохи после Сноудена». [14] [21] [22]
QUESS — первый запущенный космический аппарат, способный генерировать запутанные фотоны в космосе, [5] хотя передача отдельных фотонов через спутники ранее демонстрировалась путем отражения фотонов, генерируемых на наземных станциях, от орбитальных спутников. [23] Хотя полностью запутанные фотоны не генерируются, коррелированные пары фотонов были получены в космосе с помощью кубсата Национальным университетом Сингапура и Университетом Стратклайда . [23] Немецкий консорциум провел квантовые измерения оптических сигналов с геостационарного лазерного коммуникационного терминала Alphasat . [24] Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) запустило проект макроскопической квантовой связи Quiness для стимулирования разработки сквозного глобального квантового интернета в 2012 году.
В 2024 году ЕКА намерено запустить квантовый распределительный спутник Eagle-1 с целью, аналогичной китайской QUESS. Он станет частью разработки и развертывания Европейской квантовой коммуникационной инфраструктуры (EuroQCI). [25]
