Co to takiego inżynieria kwantowa? Otóż według Wikipedii jest to „zespół nauk i technologii zajmujących się zagadnieniami najogólniej rozumianych technik wykorzystujących zjawiska kwantowe, które obecnie mogą zaważyć na kształcie naszej cywilizacji”. Generalnie obszar ten można podzielić na telekomunikację kwantową oraz komputery i obliczenia kwantowe. Od samego początku Chiny położyły nacisk przede wszystkim na rozwój telekomunikacji kwantowej uznając, że to właśnie na tym polu, a nie na przykład w dziedzinie komputerów kwantowych, można osiągnąć najszybciej konkretne, komercyjne rozwiązania. Nie dziwi zatem fakt, że są światowym liderem w tej kategorii pod względem uzyskanych patentów.

Tłumacząc w wielkim skrócie i uproszczeniu (uprasza się fizyków kwantowych o przymknięcie oka) komunikacja kwantowa wykorzystuje charakterystyczną cechę mechaniki kwantowej polegającą na tym, że obserwujący przez sam fakt obserwacji wpływa na stan obserwowanego obiektu. Innymi słowy, nie da się podejrzeć (podsłuchać) takiej transmisji tak, żeby nadawca i odbiorca się o tym nie dowiedział. Zjawisko to wykorzystuje się przy bezpiecznej kwantowej dystrybucji kluczy szyfrujących (QKD), czyli takich, co do których mamy 100 proc. pewności, że nikt ich nie przechwycił „po drodze”. Nośnikiem informacji są fotony (a więc światło).

Pierwsze próby z kluczami QKD przeprowadzono w Chinach już w 2007 r. na odcinku światłowodowym o długości 100 km (bijąc przy okazji poprzedni rekord wynoszący 10 km). Wkrótce potem, w ramach oddzielnego i niezależnego projektu w mieście Hefei, zbudowano pierwszą na świecie całkowicie bezpieczną optyczną sieć telefoniczną. Potem zbudowano pierwszy na świecie usprawniony system dystrybucji kluczy MDI-QKD, eliminujący potencjalne luki bezpieczeństwa.

Na bazie tych odkryć w 2013 r. USTC we współpracy z Chińską Siecią Kablową rozpoczęło budowę Bezpiecznej Kwantowej Komunikacyjnej Sieci Szkieletowej Pekin – Szanghaj. Sieć ma ponad 2 tys. km, 32 węzły dystrybucyjne QKD i łączy ze sobą takie ośrodki jak Pekin, Szanghaj, Jinan, Hefei i inne. Prace zakończono w roku 2018 i od tej pory prowadzone są testy komercyjne między innymi przez banki. Równolegle dalej wykorzystuje się ją do rozwoju technologii telekomunikacji kwantowej.

Kwantowa teleportacja

Telekomunikacja kwantowa znajduje również zastosowanie w projektowaniu globalnych systemów łączności opartych na satelitach kwantowych. Już w 2005 r. przeprowadzono w Chinach eksperyment, w ramach którego przesłano klucz QKD na otwartej przestrzeni na odległość 13 km (po raz pierwszy w świecie) i udowodniono tym samym, że foton w stanie splątanym jest w stanie „przeżyć” przejście przez ponad 10 km atmosfery ziemskiej. W 2010 roku wykonano udany eksperyment teleportacji kwantowej (technika pozwalająca na przeniesienie stanu kwantowego na dowolną odległość z wykorzystaniem stanu splątanego) na Wielkim Murze na odcinku 16 km. W roku 2012 powtórzono ten eksperyment, ale tym razem na odcinku 100 km, co otworzyło pole do dalszych eksperymentów mających na celu wykorzystanie satelitów kwantowych.

W 2013 r. zakończono prace badawcze i udowodniono teoretycznie, że ruch względny satelity względem ziemi i kanał o wysokich stratach, charakterystyczny dla łączności satelitarnej, nie powinien być przeszkodą. Nadszedł czas na sprawdzenie tego w praktyce.

W 2016 roku z Jiuquan (prowincja Syczuan) wyniesiono na orbitę satelitę kwantowego Mozi (jako część projektu QESS – Quantum Experiment as Space Scale). Satelicie wyznaczono trzy cele badawcze: test transmisji kluczy QKD satelita – ziemia, test teleportacji kwantowej ziemia – satelita i nielokalności kwantowej na satelicie. Wszystkie trzy eksperymenty zakończyły się sukcesem. Satelitę wykorzystano również do pokazu możliwości łączności międzykontynentalnej nawiązując bezpieczne połączenie kwantowe między Pekinem a Wiedniem. Wspomnianą powyżej sieć szkieletową Pekin-Szanghaj połączono z satelitą Mozi. Laboratorium kosmiczne Tianngong-2 (etap pośredni przed umiejscowieniem na orbicie chińskiej stacji kosmicznej) odbierało klucze QKD i przesyłało je do 4 stacji naziemnych

W czerwcu br. do Mozi dołączył kolejny satelita kwantowy – Jinan 1. Ma on masę sześciokrotnie mniejszą niż Mozi i został umieszczony na niższej orbicie. Po nim mają pojawić się na orbicie kolejne, co dowodzi, że Chińczycy w zakresie budowy sieci komunikacji kwantowej przeszli z etapu prac badawczych do etapu budowy i wdrażania.