Высокоточные измерения расстояния между Землёй и Луной играют ключевую роль в изучении лунной геологии и проверке общей теории относительности. Современные системы используют импульсные лазеры и достигают точности в 5–10 мм, но теперь исследователь предложил путь к значительно большей точности, заменив лазерные импульсы непрерывным мощным лучом [1]. Он считает, что новый метод может достичь субмиллиметровой точности в ближайшие несколько лет, предлагая технику для исследования скрытых деталей лунного интерьера или даже для обнаружения сверхнизкочастотных гравитационных волн.
Лучшая текущая техника измерения расстояния
Лучший текущий метод измерения расстояния между Землёй и Луной включает отправку лазерного импульса на лунную поверхность. Оттуда он отражается от так называемого уголкового отражателя, который посылает фотоны обратно в направлении, откуда они пришли. Измерение времени прохождения импульса в оба конца даёт расстояние.
Размер отражателя и точность
Луч может достигать километров в ширину к тому времени, когда он достигает Луны, поэтому размер отражателя определяет количество отражённого света. Меньший отражатель увеличивает точность, поскольку уменьшает несколько источников ошибок, включая ошибки, связанные с колебаниями Луны. Но есть компромисс: меньший отражатель возвращает меньше фотонов, что снижает отношение сигнал/шум.
Последние отражатели — некоторые из них были размещены на Луне в марте миссией Blue Ghost — имеют диаметр всего 10 см, поэтому они возвращают, возможно, на 1% меньше фотонов, чем предыдущие модели метрового масштаба.
«Сегодняшние импульсные системы возвращают лишь несколько фотонов за импульс, ограничивая точность измерения до 5–10 мм», — говорит Слава Турышев из Калифорнийского технологического института. В качестве альтернативы Турышев предлагает использовать другую технику измерения с помощью мощного лазера непрерывного действия. Он считает, что такая система, использующая киловаттный лазер, может позволить сбор света в течение интервала до 100 секунд. Это может увеличить количество возвращаемых фотонов в 10 000 раз, потенциально достигая субмиллиметровой или даже десятимикронной точности.
Система измерения с непрерывным лучом
Система измерения с непрерывным лучом будет измерять расстояние, кодируя сигнал с помощью методов, знакомых по радиоволнам — амплитудной модуляции (AM) или частотной модуляции (FM). Сравнивая отражённый сигнал с локальным «эталонным» лазером, стандартные методы обработки сигналов позволяют оценить временную задержку, которую испытал свет, отражённый от Луны.
Для достижения оптимальной точности в такой системе потребуется преодоление ряда технических препятствий, но это кажется вполне осуществимым, отмечает Турышев. Одной из ключевых задач является преодоление искажений, вызванных атмосферной турбулентностью, которая усиливается при более длительном сборе света. Турбулентность в атмосфере Земли может изменять длину световых путей на десятки и сотни микрометров.
Вызовы и решения
Преодоление этой проблемы, говорит Турышев, потребует коррекции этих ошибок, частично за счёт улучшения мониторинга температуры, давления и градиентов влажности в атмосфере в режиме реального времени. Он также считает, что одновременные лазерные измерения на нескольких длинах волн могут помочь исследователям отслеживать оптические свойства атмосферы и уменьшить ошибки примерно в 10 раз.
Ещё одной задачей является управление механическими смещениями и тепловым расширением. Вибрации и небольшие изменения температуры могут сдвигать телескопы, зеркала или оптические скамьи на микроны, что может привести к ошибкам в кодировании оптического сигнала AM или FM.
Наконец, для достижения такой точности потребуются экстремально точные временные характеристики и высокая стабильность частоты для эталонных лазеров. «Эти эталонные частоты должны поддерживать дробную стабильность менее одной части в 10¹³ за весь период измерения, который может составлять до 100 секунд, чтобы достичь точности в несколько десятков микрометров», — говорит Турышев.
Квантовые точки для надёжного распределения квантового ключа
Квантовая физика позволяет использовать методы связи, которые гарантируют высочайшую степень безопасности сообщений, передаваемых по открытым каналам. Но воспользоваться таким уровнем секретности не так просто, как взять телефон: прежде чем будет отправлена какая-либо информация, коммуникаторы должны пройти через медленный процесс создания общего квантового ключа, который используется для шифрования и дешифрования сообщения.
Исследователи из Университета науки и технологий Китая (USTC) сделали этот процесс более эффективным, генерируя ключ с помощью полупроводниковой квантовой точки, а не с помощью обычного лазера [1]. Команда продемонстрировала метод, поделившись квантовым ключом между зданиями на кампусе USTC.
Обмен сообщениями, защищёнными от подслушивания
Чтобы сделать обмен сообщениями неуязвимым для подслушивания, не обязательно использовать квантовые ресурсы. Достаточно зашифровать сообщение с помощью одноразового случайного ключа, длина которого не меньше самого сообщения. Квантовая физика предлагает способ защиты обмена таким ключом, выявляя, пытался ли кто-то другой, кроме отправителя и получателя, получить к нему доступ.
Представьте, что отправитель (Алиса) хочет отправить сообщение получателю (Бобу) в присутствии подслушивающего (Ева). Сначала Алиса создаёт строку случайных битов. Согласно одному из самых популярных протоколов квантовой связи, известному как BB84, Алиса затем кодирует каждый бит в состоянии поляризации отдельного фотона. Это кодирование может быть выполнено в одной из двух ориентаций, или «баз», которые также выбираются случайным образом. Алиса отправляет эти фотоны по одному Бобу, который измеряет их состояния поляризации.
Если Боб выбирает измерить данный фотон в основе, в которой Алиса закодировала свой бит, считывание бита Бобом будет соответствовать считыванию Алисы. Если он выберет альтернативную основу, Боб измерит случайное состояние поляризации.
Повышение эффективности квантового ключа
Обычным методом генерации одиночных фотонов в соответствии с протоколом BB84 является удивительно простой: лазер пропускают через ослабляющий фильтр, чтобы почти все фотоны поглощались. Независимо от того, оптимизирована ли прозрачность фильтра для безопасности (минимизация событий с несколькими фотонами) или эффективности (минимизация событий с нулевыми фотонами), доля этих «слабых когерентных импульсов», содержащих одиночные фотоны, ограничена статистическими свойствами источников когерентного света.
Исследователи из USTC стремились повысить этот показатель, заменив ослабленный лазер более надёжным источником одиночных фотонов. Они изготовили квантовую точку, состоящую из арсенида индия на арсениде галлия, и соединили её с микрорезонатором, который усиливал излучение квантовой точки за счёт эффекта Перселла. Возбуждая квантовую точку с помощью тщательно сформированного лазерного импульса, исследователи достигли скорости однофотонного излучения в 71% и скорости многофотонного излучения в 2%.
Затем они протестировали концепцию, передав квантовый ключ по свободному пространству, отразив сигнал от пары зеркал, расположенных более чем в 100 м от лаборатории. После учёта ошибок и фотонов, потерянных при рассеянии (которые съедают большую часть ключевой последовательности), они измерили скорость ключа в 1,08 × 10–3 бита на импульс — почти вдвое больше, чем они ожидали бы достичь, если бы на том же канале использовались слабые когерентные импульсы от обычного лазера.
«Я думаю, что эксперимент — это настоящий подвиг», — говорит физик из Университета Торонто Хой-Квок Ло, который не участвовал в исследовании. Ло — один из исследователей, стоящих за так называемым протоколом квантового распределения ключей с использованием декой-состояний, версией схемы BB84 с повышенной безопасностью. «Это первый раз, когда источник одиночных фотонов был использован в квантовом распределении ключей для преодоления скорости ключа по протоколу с использованием декой-состояний», — говорит Ло.
Несмотря на повышенную надёжность, источник фотонов на основе квантовых точек не избавляет от необходимости полностью отказаться от использования декой-состояний, поскольку всё ещё происходят редкие события с несколькими фотонами. «Если бы источник мог излучать одиночные фотоны со 100% надёжностью, то декой-состояния не потребовались бы», — говорит Цзянь-Вэй Пань, возглавляющий команду USTC. «Хотя источник на основе квантовых точек может излучать одиночные фотоны с большей вероятностью, чем слабые когерентные импульсы, он не идеален, поэтому декой-состояния всё ещё полезны».
[1] — ссылка на источник.