Lyhyesti: mikä ihme on Kiinan uusi kvanttisatelliitti?

Kiina laukaisi viime tiistaina 16. elokuuta avaruuteen maailman ensimmäisen "kvanttisatelliitin". Pieni, noin 600 kg massaltaan oleva Micius -niminen satelliitti on kokeellinen laite, jonka tarkoituksena on testata täydellisesti salattua "kvanttitietoliikennettä" kahden vuoden ajan. Satelliitti pääsi uutisiin ympäri maailman, mutta harva juttu on kertonut mistä oikeastaan on kyse.

Olennaisin asia on kvanttifysiikassa oleva lomittumisen käsite, eli se, että kaksi tai useampi hiukkasta tai muuta vastaavaa atomaarista systeemiä voi vaikuttaa toisiinsa hyvin kiinnostavalla tavalla. Kun yhden hiukkasen olotilaa muutetaan, niin tämä vaikuttaa myös toisen hiukkasen tilaan samanaikaisesti, jopa pitkän etäisyyden päässä.

Kvanttifysiikka on tavallisen, arkipäiväisen fysiikan osa-alue, joka kuvaa luonnon toimintaa atomien kokoluolassa. Siellä klassinen fysiikka ei toimi, vaan mukana on koko joukko omituiselta tuntuvaa todennäköisyyslaskentaa. Hiukkaset voidaan esittää paitsi kappaleina, pienenpieninä hitusina, niin myös aaltoina, eli hankalasti hahmotettavana etenevänä värähtelynä.

Tunnetuin kvanttifysiikan jännä ilmiö on ns. Schrödingerin kissa, eli fyysikko Erwin Schrödingerin löytämä ilmiö, jonka mukaan hiukkanen voi olla kahdessa eri tilassa aina siihen saakka, kunnes sitä havaitaan. Hän vertasi hiukkasta kissaan, joka on laatikossa, mutta emme tiedä onko se elävä vai kuollut, ennen kuin avaamme laatikon – joka puolestaan saattaa aiheuttaa kissan kuoleman.

Toinen omituisuus on Werner Heisenbergin keksimä epätarkkuusperiaate, jonka mukaan hiukkasen paikkaa ei voida koskaan tuntea hyvin, jos sen nopeus voidaan havaita. Ja päinvastoin: jos voidaan sanoa tarkasti missä hiukkanen on, niin sen nopeutta ei voida saada selville.

Kolmas kummallisuus on tunneloituminen, eli hiukkaset voivat jopa tunkeutua esteen läpi, vaikka niiden ei pitäisi. Outoa, mutta näin tapahtuu koko ajan, ja esimerkiksi puolijohde-elektroniikassa tämä on tuttu ilmiö.

Ja sitten on tämä lomittuminen. Sitä, että kaksi hiukkasta kaukana toisistaan voivat käyttäytyä täsmälleen samalla tavalla, on kutsuttu myös teleportaatioksi: siinähän tieto kappaleesta siirretään kokonaisuudessaan toisaalle.

Ensimmäisen kerran tämän onnistui tekemään kahdella hiukkasella Anton Zeilinger Wienin yliopistolla 1990-luvulla. Hiukkaset olivat Tonavan eri rannoilla, ja kun yhtä kutitettiin, niin toinen alkoi hihittää, vaikka niiden välillä ei ollut mitään yhteyttä.

Sen jälkeen sama koe on tehtiin myös Kanarian saarilla, jolloin 144 kilometrin etäisyydellä toisistaan kahdella observatoriolla olleet fotonit käyttäytyivät täsmälleen samalla tavalla. Nyt lomittumista tutkitaan rutiininomaisesti lähes kaikkialla maapallolla – ja osin tätä ennen jo avaruudessakin, sillä vuonna 2007 italialainen tutkimusryhmä onnistui siirtämään yksinkertaista kvanttitietoa japanilaisen satelliitin kautta. 2600 kilometrin korkeudessa ollut Ajisai-satelliitti "vain" heijasti laservaloa takaisin.

Ongelmana on se, että kunnollisessa lomituskokeessa hiukkaset täytyy ensin tuottaa samanaikaisesti samassa paikassa, ja siirtää sen jälkeen kauas toisistaan. Tähän saakka hiukkasina on käytetty fotoneita, ja ne on siirretty valokuitua pitkin. Valokuidussa kuitenkin signaali heikkenee nopeasti, ja vaikka käytössä olisi erinomaisia vahvistimia, lopulta on tuloksena pelkkää mössöä, mistä ei alkuperäistä fotonia saa irti.

Siksi ajatuksena oli käyttää satelliittia ja itse asiassa Zeilinger ehdotti jo viitisen vuotta sitten Euroopan avaruusjärjestölle tällaisen kvanttitietoliikennesatelliitin koeversion tekemistä. Se osoittautui hankalaksi ja kalliiksi, koska satelliitissa pitää olla mukana varsin monimutkainen optinen laitteisto.

Nyt Zeilinger on mukana kiinalaishankkeessa yhdessä pekingiläiskollegansa (entisen kilpailijansa) Jian-Wei Panin kanssa, ja tarkoituksena on koettaa yhteyttä satelliitilla Pekingin ja Wienin välillä. Hyvä taustajuttu tästä julkaistiin jo vuonna 2012 Naturessa.

Kaavio yhteydestä
Lomittumisen onnistuminen satelliitin kautta ei ole varmaa, koska nyt ilmakehä ja satelliitin nopeudesta johtuvat suhteellisuusteoreettiset ilmiöt voivat haitata liikaa yhteyttä.

Kryptografiaa!

Lomittumista on tutkittu varsin paljon siksi, että yksi sen sovelluksista on kvanttikryptografia, kvanttisalaus. Lähettettävän viestin avainkoodi siirretään lomittumisen avulla paikasta toiseen, jolloin viesti voidaan siirtää perinteisesti salaten.

Kvanttisalausta pidettiin pitkään murtumattomana salauksena, koska jokainen urkkimisyritys olisi muuttanut systeemiä niin, että lähetys ei olisikaan avautunut ja vakoilu olisi paljastunut saman tien. Nyt tämäkin on onnistuttu murtamaan, mutta silti kvanttisalaus on paras tällä hetkellä tiedossa oleva viestin salausmenetelmä.

Jos et ymmärtänyt ihan täysin mistä on kyse, niin ei haittaa: fyysikotkaan eivät ole ihan kärryillä.

"Meillä on teoria, joka kuvaa luontoa erinomaisen täydellisesti, ja voimme nähdä luonnon toimivan juuri niin, mutta emme vieläkään ymmärrä, mitä luonto haluaa näyttää meille", sanoi Zeillinger jokunen vuosi sitten kirjoittajan kanssa jutellessaan.

"Minulla on koko ajan se tunne, että meidän pitäisi ymmärtää yleinen konsepti paremmin. Matemaattisesti ymmärrämme asian hyvin."

Kiinalaisten satelliittikoneen avulla kenties ymmärrämme asian pian paremmin. Sen jälkeen kvanttitietokoneiden tekeminen on helpompaa ja kenties pian Star Trek -tyylinen teleportaatiokin saadaan toimimaan...

Alla on varsin hyvä selitys salaamisesta ja kvanttisalauksesta (sori, englanniksi):


Juttuja samasta aiheesta