אוניברסיטת תל אביב חנכה את מצפה הלוויינים הראשון לתקשורת אופטית קוונטית

אוניברסיטת תל אביב חנכה את תחנת הקרקע הראשונה בישראל, ובין המתקדמות ביותר בעולם, לעקיבה, לחישה, לצילום היפר-ספקטרלי ולתקשורת אופטית וקוונטית עם לוויינים במסלול סביב כדור הארץ. תחנת הקרקע החדשה תאפשר גם לערוך ניסויים בתקשורת אופטית קוונטית.

בשלב הראשון של הפרויקט, ינסו החוקרים לבסס תקשורת אופטית ואחריה תקשורת קוונטית בין תחנות הקרקע, בין תחנות קרקע לרחפנים ואחר כך בין תחנות קרקע ללוויין של אחד השותפים הבינלאומיים. התקווה היא שתוך שנתיים-שלוש, יגויסו מלוא המשאבים כדי לבנות לוויין קוונטי ייעודי כחול-לבן.

לעקוב תוך כדי תנועה

התחנה כוללת כיפת מצפה לוויינים בקוטר 4.25 מטרים, מערכת עקיבה, מצלמה מהירה ראשית ומצלמות עקיבה משניות, ציוד לייזרים, גלאי פוטונים בודדים ורובוט עקיבה המאפשר נשיאה בו-זמנית של שני טלסקופים. בשלב זה הזרוע מחזיקה בטלסקופ של 24 אינץ', ובשלב השני יצטייד המצפה בטלסקופ נוסף, המיועד לצילום בתחום תת-אדום, וכן מצלמות תרמיות והיפר-ספקטרליות ייעודיות. בנוסף לתקשורת האופטית הרגילה, שמשתמשת בלייזרים או ב-LED באורכי גל שונים, תחנת הקרקע החדשה תאפשר גם לערוך ניסויים בתקשורת אופטית קוונטית. תקשורת מתקדמת משתמשת בתכונות קוונטיות של פוטונים בודדים כדי להעביר מידע מוצפן. 

"תחנת הקרקע מיועדת לצפייה בלוויינים, שהם גופים קטנים בגובה 400-500 ק"מ שנעים בכ-30,000 קמ"ש", אומר פרופ' ירון עוז ראש המרכז למדע וטכנולוגיה קוונטית באוניברסיטת תל אביב. "היכולת לעקוב אחר לוויינים היא מיומנות עדינה מאוד. הלוויין חולף מהר מאוד, ובזמן הזה צריך לצלם אותו במרכז התמונה ובכמה טווחים שונים של הספקטרום האלקטרומגנטי כדי ללמוד פרטים עליו. זהו מצפה הלוויינים הראשון והיחיד בישראל, והוא בין המתקדמים ביותר בעולם כולו".

"מבחינה תיאורטית, תקשורת קוונטית היא מוצפנת לחלוטין", מסביר פרופ' עוז. "אי אפשר לתקוף אותה בסייבר ולהעתיק את המידע, כי במכניקת קוונטים יש עיקרון שמונע העתקה. ברגע שצד שלישי מנסה להאזין למסר, הוא הורס את האות המקורי, למשל משנה את קיטוב הפוטונים, ושני הצדדים שמתקשרים יכולים לדעת שמישהו ניסה להאזין. ככה זה בתיאוריה. בפרקטיקה, יש לא מעט שאלות מחקריות שצריך לענות עליהן. למשל, מה עושים עם רעש באות שלא נוצר כתוצאה מהאזנה, למשל ממזג האוויר? האם כדאי להשתמש בקיוביטים או בקיודיטים, פוטונים בעלי יותר משני מצבים? ובכלל, כמה מידע אפשר להעביר כך בזמן השידור המוגבל שבו הלוויין חולף מעל תחנת הקרקע? רשימת השאלות הפתוחות ארוכה. צריך להבין שתקשורת קוונטית היא תחום ניסיוני לחלוטין. קיימים פרוטוקולים מניסויים שנערכו במעבדות, אך המדינה היחידה שהדגימה בהצלחה תקשורת כזו היא סין כבר ב-2016. כנראה גם האמריקנים הצליחו, אבל הם לא פרסמו על כך דבר בעיתונות המדעית. חוץ משתי המעצמות הללו, מדינות ספורות כמו גרמניה, סינגפור וכעת גם ישראל מכינות את הקרקע להדגמת היכולת".

^{פרופ' ירון עוז}

המטרה: לוויין קוונטי ייעודי כחול לבן

בשלב הראשון של הפרויקט, ינסו החוקרים לבסס תקשורת אופטית ואחריה תקשורת קוונטית בין תחנות הקרקע, בין תחנות קרקע לרחפנים ואחר כך בין תחנות קרקע ללוויין של אחד השותפים הבינלאומיים. בתוך שנתיים-שלוש, החוקרים מקווים לגייס את המשאבים כדי לבנות לוויין קוונטי ייעודי כחול-לבן.

"אנחנו עובדים בשיטת חומה ומגדל", מספר פרופ' עוז. "בהתחלה נציב משדר על גג הבניין השני של בית הספר לפיזיקה, בניסיון לייצר מפתח קוונטי חסין בקצב של מאות עד אלפי ביטים לשנייה, במטרה ללמוד ולשפר את יכולות ההצבה, המיתוג והסנכרון של מקורות האור וגלאי הפוטונים הבודדים. בהמשך נרצה להקטין את מערכת השידור ולהטמיע אותה במערכת מוטסת, בהתחלה ברחפנים, ולבסס רשת של תקשורת קוונטית. בסוף נרצה גם לשגר לוויין שלנו, שינסה לתקשר קוונטית עם תחנת הקרקע ועם לוויין דומה של סינגפור".

בפרויקט פורץ הדרך משתתפים גם פרופ' עדי אריה מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, פרופ' חיים סוכובסקי ופרופ' ארז עציון מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה, מנהל תחנת הקרקע האופטית מיכאל צוקראן, ד"ר גארי רוזנמן, ותלמידי המחקר יובל רכס ותומר נחום. הפרויקט ממומן על ידי מרכז הקוונטים האוניברסיטאי, בהובלת פרופ' ירון עוז ובניהולה האדמיניסטרטיבי של גב' רונית אקרמן, ועל ידי סוכנות החלל הישראלית במשרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה.