Sebuah satelit Tiongkok telah memecah pasangan "foton terjerat" dan mentransmisikannya ke stasiun bumi yang terpisah sejauh 1.245 mil (1.200 kilometer), memecahkan rekor jarak sebelumnya untuk prestasi semacam itu dan membuka kemungkinan baru dalam komunikasi kuantum.
Dalam fisika kuantum, ketika partikel berinteraksi satu sama lain dengan cara tertentu, mereka menjadi "terjerat." Ini pada dasarnya berarti mereka tetap terhubung bahkan ketika dipisahkan oleh jarak yang jauh, sehingga tindakan yang dilakukan pada satu mempengaruhi yang lain.
Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan online hari ini (15 Juni) dalam jurnal Science, para peneliti melaporkan keberhasilan distribusi pasangan foton terjerat ke dua lokasi di Bumi yang dipisahkan oleh 747,5 mil (1,203 km).
Keterikatan kuantum memiliki aplikasi yang menarik untuk menguji hukum dasar fisika, tetapi juga untuk menciptakan sistem komunikasi yang sangat aman, kata para ilmuwan. Itu karena mekanika kuantum menyatakan bahwa mengukur sistem kuantum pasti mengganggunya, sehingga segala upaya untuk menguping tidak mungkin disembunyikan.
Tapi, sulit untuk mendistribusikan partikel terjerat - biasanya foton - jarak jauh. Saat bepergian melalui udara atau melalui kabel serat optik, lingkungan mengganggu partikel, sehingga dengan jarak yang lebih jauh, sinyal meluruh dan menjadi terlalu lemah untuk berguna.
Pada tahun 2003, Pan Jianwei, seorang profesor fisika kuantum di Universitas Sains dan Teknologi Cina, mulai bekerja pada sistem berbasis satelit yang dirancang untuk mengirim pasangan foton terjerat ke stasiun darat. Idenya adalah karena sebagian besar perjalanan partikel akan melalui ruang hampa udara, sistem ini akan menimbulkan gangguan lingkungan yang jauh lebih sedikit.
"Banyak orang kemudian berpikir itu ide gila, karena itu sangat menantang sudah melakukan eksperimen kuantum-optik canggih di dalam tabel optik terlindung dengan baik," kata Pan kepada Live Science. "Jadi bagaimana Anda bisa melakukan percobaan serupa pada skala jarak ribuan kilometer dan dengan elemen optik yang bergetar dan bergerak dengan kecepatan 8 kilometer per detik?"
Dalam studi baru, para peneliti menggunakan satelit Micius China, yang diluncurkan tahun lalu, untuk mengirimkan pasangan foton terjerat. Satelit ini memiliki sumber foton terjerat ultrabright dan sistem perolehan, pengarah, dan pelacakan (APT) presisi tinggi yang menggunakan laser suar pada satelit dan di tiga stasiun bumi untuk menyejajarkan pemancar dan penerima.
Setelah foton mencapai stasiun bumi, para ilmuwan melakukan tes dan mengkonfirmasi bahwa partikel-partikel itu masih terjerat meskipun telah menempuh jarak antara 994 mil dan 1.490 mil (1.600 dan 2.400 km), tergantung pada tahap orbitnya tempat satelit itu berada.
Hanya 6 mil (10 km) atmosfer bumi yang cukup tebal yang menyebabkan gangguan signifikan pada foton, kata para ilmuwan. Ini berarti efisiensi keseluruhan sambungan mereka jauh lebih tinggi daripada metode sebelumnya untuk mendistribusikan foton terjerat melalui kabel serat optik, menurut para ilmuwan.
"Kami telah mencapai efisiensi distribusi keterikatan dua foton satu triliun kali lebih efisien daripada menggunakan serat telekomunikasi terbaik," kata Pan. "Kami telah melakukan sesuatu yang benar-benar mustahil tanpa satelit."
Selain melakukan eksperimen, salah satu kegunaan potensial untuk sistem semacam ini adalah untuk "distribusi kunci kuantum," di mana sistem komunikasi kuantum digunakan untuk berbagi kunci enkripsi antara dua pihak yang tidak mungkin untuk mencegat tanpa memperingatkan pengguna. Ketika dikombinasikan dengan algoritma enkripsi yang benar, sistem ini tidak dapat dipecahkan bahkan jika pesan terenkripsi dikirim melalui saluran komunikasi normal, kata para ahli.
Artur Ekert, seorang profesor fisika kuantum di Universitas Oxford di Inggris, adalah orang pertama yang menggambarkan bagaimana foton terjerat dapat digunakan untuk mengirimkan kunci enkripsi.
"Eksperimen Cina adalah pencapaian teknologi yang luar biasa," kata Ekert kepada Live Science. "Ketika saya mengusulkan distribusi kunci kuantum terjerat kembali pada tahun 1991 ketika saya masih mahasiswa di Oxford, saya tidak berharap itu akan meningkat ke ketinggian seperti itu!"
Satelit saat ini tidak cukup siap untuk digunakan dalam sistem komunikasi kuantum praktis, menurut Pan. Untuk satu, orbitnya yang relatif rendah berarti setiap stasiun bumi memiliki jangkauan hanya sekitar 5 menit setiap hari, dan panjang gelombang foton yang digunakan berarti hanya dapat beroperasi di malam hari, katanya.
Meningkatkan waktu dan area cakupan akan berarti meluncurkan satelit baru dengan orbit yang lebih tinggi, kata Pan, tetapi ini akan membutuhkan teleskop yang lebih besar, pelacakan yang lebih tepat, dan efisiensi tautan yang lebih tinggi. Operasi siang hari akan membutuhkan penggunaan foton dalam panjang gelombang telekomunikasi, tambahnya.
Tetapi sementara mengembangkan jaringan komunikasi kuantum masa depan akan membutuhkan pekerjaan yang cukup besar, Thomas Jennewein, seorang profesor di Institut Waterloo Institute for Quantum Computing di Kanada, mengatakan kelompok Pan telah menunjukkan salah satu blok bangunan utama.
"Saya telah bekerja di jalur penelitian ini sejak tahun 2000 dan meneliti tentang implementasi serupa dari eksperimen quantum-entanglement dari luar angkasa, dan karena itu saya bisa sangat membuktikan keberanian, dedikasi dan keterampilan yang ditunjukkan oleh kelompok China ini," katanya kepada Live Science .
