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.
Текущая техника измерения
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 отправляет фотоны обратно в направлении, откуда они пришли. Измерение времени прохождения импульса 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 в рамках миссии Blue Ghost — имеют диаметр всего 10 см, поэтому они возвращают, возможно, лишь 1% фотонов по сравнению с предыдущими моделями метрового масштаба.
Новый метод измерения
Сегодняшние импульсные системы возвращают лишь несколько фотонов за импульс, ограничивая точность измерения расстояния до 5–10 мм, — говорит Слава Турышев из Калифорнийского технологического института. В качестве альтернативы Турышев предлагает использовать другой метод 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 расстояний с непрерывным излучением 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.
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 позвонить по телефону: 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 Китайского университета науки и технологий (USTC) сделали этот процесс более эффективным, сгенерировав ключ с использованием полупроводниковой квантовой точки, а не обычного лазера [1]. Команда продемонстрировала метод, поделившись квантовым ключом между зданиями на кампусе USTC.
Создание квантового ключа
Чтобы сделать обмен сообщением неуязвимым для прослушивания, не обязательно использовать квантовые ресурсы. Достаточно зашифровать сообщение с помощью одноразового случайного ключа, длина которого равна длине 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 (Боб) 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 «базисов», 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.
Эффективность и безопасность этого процесса зависят от способности Алисы генерировать одиночные фотоны по требованию. Если этот метод генерации фотонов ненадёжен — например, если он иногда не генерирует фотон, когда это запланировано, — на обмен ключа уйдёт больше времени. Если, с другой стороны, метод иногда генерирует несколько фотонов одновременно, Алиса и Боб рискуют, что их конфиденциальность будет раскрыта, поскольку Ева иногда сможет перехватить один из этих дополнительных фотонов, который может раскрыть часть ключа.
Использование квантовых точек
Исследователи из USTC стремились повысить этот показатель, заменив ослабляющий 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 поглощают большую часть последовательности ключей), они измерили скорость ключа в 1,08 × 10–3 бит на импульс — почти вдвое больше, чем они ожидали бы достичь, если бы использовали 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 подставных состояний, версией схемы BB84 с повышенной безопасностью. «Это первый раз, когда источник одиночных фотонов был использован в квантовом распределении ключей для достижения скорости, превышающей скорость протокола с подставными состояниями», — говорит Ло.