Uzayın uçsuz bucaksızlığı ve kuantum teknolojisinin potansiyeli, bilim insanlarının dikkatini diğerlerinden daha fazla çeken iki şey. Bu iki büyüleyici alan, Çin Bilim Akademisi’nin 2016 yılında fırlatılan kuantum iletişim uydusu Micius tarafından bir araya getirildi. Sonuç olarak, bir dizi ilgi çekici ilk kuantum uzay iletişimi gösterileri yapıldı.
Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Jian-Wei Pan ve meslektaşları, uydunun fırlatılmasına kadar geçen sürede gerçekleştirilen faaliyetleri ve görevin ana sonuçlarını gözden geçirerek, kuantum uzay iletişiminin geleceğinin neler olabileceğine dair bir bakış açısı sunuyor.
Bu kuantum uydu görevinin başarısı, bir dizi uzay tabanlı kuantum iletişim protokolünün uygulanabilirliğini doğrulamakta ve Dünya’yı kapsayan bir kuantum iletişim ağıyla sonuçlanabilecek sonraki gelişmeler için zemin hazırlamaktadır.
Işığın kuantumları ya da fotonlar mükemmel kuantum bilgi taşıyıcılarıdır çünkü kontrol edilmeleri hızlı ve kolaydır. Belirli bir kuantum durumunda, bir kuantum sensörünün sonucu olarak ya da bir kuantum bilgisayarının çıktısı olarak üretilebilirler.
Potansiyel olarak tam bilgi güvenliği sağlayabilen bir kriptografi türü olan kuantum anahtar dağıtımı (QKD), kuantum iletişim protokollerinde inanılmaz derecede yardımcı olabilir. Birkaç foton arasındaki kuantum dolanıklığı, kuantum durumları arasındaki klasik olmayan korelasyondur.
QKD şemalarını göstermek için birkaç yüz kilometre kullanılmıştır, bu da şehirler arasındaki iletişim ağlarını kapsayacak kadar uzundur. Ancak bunların menzilini sonunda tüm gezegeni kapsayacak şekilde genişletmek önemli bir engeldir.
Optik fiberlerden veya atmosferden geçen ışığın emilim ve saçılma nedeniyle yaşadığı kayıplar, uzun mesafeli kuantum iletişiminin önünde önemli bir engeldir. Optik yükselticiler bu kayıpları telafi etmek için geleneksel iletişimde tekrarlayıcı olarak kullanılabilse de, tek tek fotonların yükseltilmesi kuantum bilgileriyle oynar. Bu kısıtlamayı aşmak için çeşitli kuantum tekrarlayıcı teknolojileri araştırılıyor olsa da, kıtalararası kuantum iletişimi yakın zamanda kuantum tekrarlayıcılar tarafından desteklenmeyecektir.
Alçak Dünya yörüngesindeki uyduları Dünya’ya bağlayan serbest uzay optik yolu tek pratik, kısa vadeli çözümdür. Atmosferin en alt 10 km’si haricinde, fotonların iletim yolu esasen emilim ve saçılmanın olmadığı bir vakum içindedir ve bu da bu yöntemin bir avantajıdır.
Micius’un 2017’de yaptığı gösteriye göre, 1200 km ile ayrılmış iki yer istasyonu arasındaki bir uydu bağlantısı, kayıplar açısından bir fiber optik bağlantıdan 15 kat daha verimlidir.
Işığı bir uydudan Dünya’ya ulaştırmanın başka zorlukları da var. Örneğin, sinyal iletimini en üst düzeye çıkarmak için yerdeki ve uydudaki teleskopların sürekli olarak birbirlerine yönlendirilmesi gerekir. Işık ışınlarını rastgele saptıran ve bozan atmosferik koşullar bu yönlendirmeyi daha da zorlaştırabilir. Ayrıca, sinyal fotonlarını varış zamanlarına göre tanıyabilmek için uydu ve yer istasyonu saatlerini senkronize etmelidir. Çin’deki programlar bu sorunların ve diğerlerinin nasıl ele alınacağına dair örnekler sunmuş ve Micius’un tasarımı bu çözümleri entegre etmiştir. Bu sorunlara yönelik çözümler diğer ülkelerdeki programlar tarafından da gösterilmiştir (NASA’nın Ay Lazer İletişim Gösterisi gibi).
Micius bir dizi yerleşik kuantum iletişim yeteneğine sahiptir. Birincil aracı, “pompa” fotonlarının doğrusal olmayan bir kristal tarafından foton çiftlerine bölündüğü bir Sagnac interferometresidir. Her çiftteki iki fotonun polarizasyon durumları, interferometrenin girişim yapan yollarının bir sonucu olarak dolaşık hale gelir. Cihaz kullanılarak her saniye 5 milyondan fazla dolaşık foton çifti yer tabanlı istasyonlara iletilebilir.
Kaynak: physics.aps.org/
İleri Okuma: physics.aps.org/articles/v15/172
