Տարիներ շարունակ քվանտային հաղորդակցության արբանյակները աշխատել են միայն մեկ ուղղությամբ՝ ուղարկելով չափազանց զգայուն քվանտային ազդանշաններ տիեզերքից դեպի Երկիր։ Այժմ նոր գիտական հետազոտությունը ցույց է տալիս, որ հակառակ ուղղությունն էլ է ոչ միայն հնարավոր, այլև գործնական՝ բացելով ճանապարհը ավելի հզոր և մասշտաբային քվանտային հաղորդակցության ցանցերի համար ապագայում։
Physical Review Research գիտական հանդեսում հրապարակված ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ քվանտային ազդանշանները կարող են հաջողությամբ փոխանցվել գետնից դեպի ուղեծրում գտնվող արբանյակ։ Այս բացահայտումը կասկածի տակ է դնում ոլորտում երկար տարիներ ընդունված պատկերացումները և կարող է էականորեն փոխել ապագա քվանտային ցանցերի կառուցման մոտեցումները։
Քվանտային հաղորդակցությունը՝ գլխիվայր
Մինչ այժմ քվանտային արբանյակները գործել են այսպես կոչված «ներբեռնման» (downlink) մեթոդով։ Քվանտային խճճված լուսային մասնիկները ստեղծվում են արբանյակի վրա և ուղարկվում Երկրի տարբեր կետեր, որտեղ դրանք հիմնականում օգտագործվում են գերբարձր անվտանգությամբ գաղտնագրման համար։ Այս մեթոդը արդյունավետ է գաղտնագրության նպատակով, քանի որ պահանջվում է միայն փոքր քանակությամբ ֆոտոններ։
Սակայն ավելի առաջադեմ կիրառությունները, օրինակ՝ քվանտային համակարգիչների միացումը մայրցամաքների միջև, պահանջում են զգալիորեն ավելի մեծ տվյալների հոսք և շատ ավելի հզոր ազդանշաններ։
Երկար ժամանակ համարվել է, որ խճճված ֆոտոնների ստեղծումն Երկրի վրա և դրանց ուղարկումը դեպի արբանյակ՝ այսպես կոչված «վերբեռնման» (uplink) մեթոդով, գործնականում անհնար է։ Գիտնականները կարծում էին, որ ազդանշանի կորուստը, մթնոլորտային խանգարումները, ֆոնային լուսավորությունը և օպտիկական համակարգերի ճշգրտման դժվարությունները կխոչընդոտեն նման փոխանցումները։
Նոր հետազոտությունը ապացուցում է հակառակը։
Գործնական քվանտային վերբեռնում
«Քվանտային խճճվածության բաշխում վերբեռնման արբանյակային ալիքներով» վերնագրով ուսումնասիրությունը իրականացվել է Սիդնեյի Տեխնոլոգիական Համալսարանի (UTS) գիտնականների կողմից՝ ներառյալ պրոֆեսորներ Սայմոն Դևիթը և Ալեքսանդր Սոլնցևը, ինչպես նաև ասպիրանտներ Սրիկարա Ս-ն և Հադսոն Լեոնեն։
Մանրամասն մոդելավորման միջոցով թիմը ցույց է տվել, որ երկու առանձին ֆոտոններ, որոնք ուղարկվում են Երկրի տարբեր կայաններից, կարող են հասնել Երկրից շուրջ 500 կիլոմետր բարձրությամբ ուղեծրում գտնվող արբանյակին՝ շարժվելով մոտ 20 000 կմ/ժ արագությամբ, և միևնույն ժամանակ փոխազդել քվանտային մակարդակում՝ ինչպես պահանջվում է։
Հատկանշական է, որ հետազոտողները հաշվի են առել իրական պայմանները՝ ներառյալ մթնոլորտային տատանումները, Երկրից եկող ֆոնային լույսը, Լուսնի կողմից անդրադարձված արևի ճառագայթները և օպտիկական համակարգերի ոչ կատարյալ համընկնումը։ Նույնիսկ այս պայմաններում վերբեռնման մոտեցումը մնացել է կենսունակ։
Ինչու է սա կարևոր
Երկրի վրա տեղակայված հաղորդիչները մի շարք կարևոր առավելություններ ունեն տիեզերքում գտնվող ֆոտոնային աղբյուրների նկատմամբ։ Դրանք կարող են աշխատել ավելի բարձր հզորությամբ, ավելի հեշտ են սպասարկվում և կարող են ստեղծել շատ ավելի ուժեղ ազդանշաններ։ Սա հատկապես կարևոր է ապագա քվանտային ցանցերի համար, որոնք պահանջում են ֆոտոնների զանգվածային արտադրություն։
Առաջարկվող վերբեռնման համակարգում արբանյակը կարիք չունի բարդ քվանտային սարքավորումների։ Այն պետք է ունենա միայն կոմպակտ օպտիկական միավոր, որը կկատարի մուտքային ֆոտոնների փոխազդեցությունը և կհաղորդի չափման արդյունքները։ Սա զգալիորեն նվազեցնում է արբանյակի չափը, արժեքը և տեխնիկական բարդությունը։
Պրոֆեսոր Դևիթի խոսքով՝ այս մոտեցումը կարող է առանցքային նշանակություն ունենալ իրական «քվանտային ինտերնետի» կառուցման համար, որը հնարավորություն կտա միացնել քվանտային համակարգիչները տարբեր երկրներում և մայրցամաքներում՝ օգտագործելով ցածր ուղեծրի արբանյակներ։
Կառուցելով համաշխարհային առաջընթացի վրա
Քվանտային արբանյակային հաղորդակցությունը արդեն իսկ արագ զարգանում է։ Չինաստանի «Միցիուս» արբանյակը, որը արձակվել է 2016 թվականին, իրականացրեց տիեզերքից քվանտային գաղտնագրված տեղեկատվության փոխանցման առաջին փորձերը։ Իսկ 2025 թվականին «Ջինան-1» միկրոարբանյակը գրանցեց 12 900 կիլոմետր երկարությամբ քվանտային կապ Չինաստանի և Հարավային Աֆրիկայի միջև։
Նոր վերբեռնման հետազոտությունը լրացնում է այս ձեռքբերումները՝ առաջարկելով ավելի մասշտաբային և գործնական լուծում ապագայի համար։
Ապագայի փորձարկում
Գիտնականները առաջարկում են, որ սկզբնական փորձարկումները հնարավոր է իրականացնել բարձրադիր դրոնների կամ օդապարիկների վրա տեղադրված ընդունիչների միջոցով, ինչը թույլ կտա փորձարկել գաղափարը նախքան ամբողջական արբանյակային կիրառումը։
Ապագայում հետևանքները շատ ավելի լայն կլինեն, քան պարզապես անվտանգ հաղորդագրությունները։
«Ապագայում քվանտային խճճվածությունը կլինի ինչ–որ առումով էլեկտրականության նման», — նշում է պրոֆեսոր Դևիթը։ «Այն կստեղծվի և կփոխանցվի ֆոնային կերպով, հաճախ անտեսանելի օգտագործողի համար, բայց կսնուցի այն տեխնոլոգիաները, որոնց վրա մենք հենվում ենք ամեն օր»։
Համագործակցությունը՝ նորարարության շարժիչ
Ծրագիրը միավորում է UTS-ի Ճարտարագիտության և Տեղեկատվական Տեխնոլոգիաների ֆակուլտետի և Բնական գիտությունների ֆակուլտետի մասնագետներին՝ համադրելով քվանտային ցանցերի, ֆոտոնիկայի և համակարգերի մոդելավորման փորձը։ Այն ցույց է տալիս, թե ինչպես է միջֆակուլտետային համագործակցությունը արագացնում բեկումնային լուծումները առաջատար տեխնոլոգիաների ոլորտում։
Քվանտային հաղորդակցության շարունակական զարգացման պայմաններում Երկրից դեպի տիեզերք քվանտային ազդանշանների փոխանցման հնարավորությունը կարող է դառնալ գլոբալ քվանտային կապի ապագայի կարևորագույն քայլերից մեկը։
