التجارب الكمومية على نطاق الفضاء

تجارب الكم على نطاق الفضاء ( QUESS ؛ الصينية :量子科学实验卫星؛ بينيين : LiàngzƐ kēxué shíyàn wèixīng ؛ مضاءة " القمر الصناعي لتجربة العلوم الكمومية " )، هو مشروع بحث صيني في مجال فيزياء الكم. تم إطلاق QUESS في 15 أغسطس 2016.

يتألف المشروع من القمر الصناعي "ميسيوس" (أو "موزي" بالصينية :墨子) ، نسبةً إلى الفيلسوف الصيني القديم، والذي تشغله الأكاديمية الصينية للعلوم ، بالإضافة إلى محطات أرضية في الصين. وتتولى جامعة فيينا والأكاديمية النمساوية للعلوم إدارة محطات الاستقبال الأوروبية التابعة للقمر الصناعي. ^{[ 4 ] [ 5 ]} وقد أجرى القمر الصناعي تجارب توزيع المفاتيح الكمومية بين الفضاء والأرض ( بالصينية :量子密钥分发)، وذلك بفضل تجربة اتصالات الليزر التي أُجريت على متن وحدة المختبر الفضائي "تيانغونغ-2" . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

مهمة QUESS هي مهمة تجريبية مصممة لتسهيل تجارب البصريات الكمومية عبر مسافات طويلة، مما يسمح بتطوير تقنيات التشفير الكمومي والنقل الكمومي . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 5 ]} يستخدم التشفير الكمومي مبدأ التشابك لتسهيل الاتصالات التي يمكنها الكشف بشكل قاطع عما إذا كان طرف ثالث قد اعترض الرسالة أثناء نقلها، وبالتالي منع فك التشفير دون اكتشافه. من خلال إنتاج أزواج من الفوتونات المتشابكة ، ستُمكّن QUESS المحطات الأرضية المتباعدة بآلاف الكيلومترات من إنشاء قنوات كمومية آمنة . ^{[ 3 ]} تتمتع QUESS نفسها بقدرات اتصال محدودة: فهي تحتاج إلى خط رؤية مباشر ، ولا يمكنها العمل إلا في غياب ضوء الشمس. ^{[ 12 ]}

كان من المخطط إطلاق المزيد من أقمار ميسيوس الصناعية، بما في ذلك شبكة عالمية بحلول عام 2030. ^{[ 12 ] [ 13 ]} بلغت تكلفة المهمة حوالي 100  مليون دولار أمريكي إجمالاً. ^{[ 2 ]}

في مارس 2025، أعلن باحثون عن تطوير أول قمر صناعي كمومي صغير في العالم ، جينان-1 ، وأثبتوا توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) في الوقت الفعلي عبر الأقمار الصناعية باستخدام محطات أرضية متعددة صغيرة الحجم في الصين وجنوب إفريقيا . خلال التجارب، أنشأ جينان-1 روابط بصرية مع محطات أرضية في مدن جينان ، وخفي ، وووهان ، وشنغهاي ، وستيلينبوش ، وولّد مفاتيح آمنة في الوقت الفعلي، مما مكّن من إجراء اتصالات مشفرة بين بكين وستيلينبوش على مسافة تقارب 12,900 كيلومتر. ^{[ 14 ]} أظهرت التجربة جدوى استخدام الأقمار الصناعية الصغيرة خفيفة الوزن والمحطات الأرضية المحمولة للاتصالات الكمومية بعيدة المدى ، مما يمهد الطريق لتكوينات محتملة من الأقمار الصناعية الكمومية وشبكات كمومية واسعة النطاق . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

شينجلونج

أورومتشي

علي

فيينا

محطات أرضية

أظهرت التجربة الأولية توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) بين مرصد شينجيانغ الفلكي بالقرب من أورومتشي ومرصد شينغلونغ بالقرب من بكين ، على مسافة دائرة عظمى تبلغ حوالي 2500 كيلومتر (1600 ميل) . ^{[ 3 ]} بالإضافة إلى ذلك، اختبر مشروع QUESS متباينة بيل على مسافة 1200 كيلومتر (750 ميلًا) ، وهي أبعد مسافة أُجريت حتى الآن، ونقل حالة فوتونية بين مرصد شيكوانهي في علي ، بمنطقة التبت ذاتية الحكم ، والقمر الصناعي. ^{[ 3 ]} يتطلب هذا مناورة مدارية دقيقة للغاية وتتبعًا دقيقًا للقمر الصناعي لضمان بقاء المحطات الأساسية على اتصال مباشر مع المركبة. ^{[ 3 ] [ 17 ]} في عام 2021، تم إثبات النقل الكمومي الكامل على مسافة تزيد عن 1200 كيلومتر (750 ميلًا) على سطح الأرض، استنادًا إلى التشابك الذي يوزعه القمر الصناعي. ^{[ 18 ]}     

بمجرد انتهاء التجارب داخل الصين، أنشأت QUESS قناة QKD دولية بين الصين ومعهد البصريات الكمومية والمعلومات الكمومية في فيينا، النمسا - مسافة أرضية تبلغ 7500 كم (4700 ميل) ، مما أتاح أول مكالمة فيديو كمومية آمنة عابرة للقارات في عام 2016. ^{[ 3 ] [ 4 ]}  

الجهاز الرئيسي على متن مركبة QUESS هو مقياس تداخل " تأثير ساغناك " . ^{[ 3 ]} وهو جهاز يُولّد أزواجًا من الفوتونات المتشابكة، مما يسمح بإرسال زوج واحد من كل فوتون إلى المحطة الأرضية. سيمكن هذا QUESS من تنفيذ توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) - وهو إرسال مفتاح تشفير آمن يُستخدم لتشفير وفك تشفير الرسائل - إلى محطتين أرضيتين. يوفر توزيع المفاتيح الكمومية نظريًا اتصالًا آمنًا تمامًا. في هذه العملية، يتشارك طرفان يرغبان في التواصل مفتاحًا سريًا عشوائيًا يُرسل باستخدام أزواج من الفوتونات المتشابكة ذات استقطاب عشوائي ، حيث يتلقى كل طرف نصف الزوج. يمكن استخدام هذا المفتاح السري كمفتاح لمرة واحدة ، مما يسمح للطرفين بالتواصل بشكل آمن عبر القنوات العادية. أي محاولة للتنصت على المفتاح ستؤدي إلى تشويش حالة التشابك بطريقة قابلة للكشف. ^{[ 13 ]} جُرِّبَتْ تقنية توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) على الأرض، سواءً عبر خط رؤية مباشر بين مرصدين، أو باستخدام كابلات الألياف الضوئية لنقل الفوتونات. مع ذلك، تُسبِّب الألياف الضوئية والغلاف الجوي تشتتًا يُدمِّر حالة التشابك، مما يُحدِّد المسافة التي يُمكن فيها تنفيذ تقنية QKD. يُؤدِّي إرسال المفاتيح من قمر صناعي يدور في مداره إلى تقليل التشتت، مما يسمح بتنفيذ تقنية QKD على مسافات أكبر بكثير. ^{[ 3 ]}

بالإضافة إلى ذلك، تمكّن مشروع QUESS من اختبار بعض الأسس الرئيسية لميكانيكا الكم . تنص نظرية بيل على أنه لا يمكن لأي نظرية محلية للمتغيرات الخفية أن تُعيد إنتاج تنبؤات فيزياء الكم، وقد استطاع مشروع QUESS اختبار مبدأ المحلية على مسافة 1200 كيلومتر (750 ميلًا) . ^{[ 9 ] [ 3 ]}  

فازت تجربة توزيع المفاتيح الكمومية بجائزة نيوكومب كليفلاند من الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم (AAAS) في عام 2018 لمساهمتها في وضع الأساس لشبكات الاتصالات فائقة الأمان في المستقبل. ^{[ 20 ]}

صرح بان جيان وي، كبير علماء مشروع QUESS، لوكالة رويترز بأن المشروع يحمل "آفاقًا هائلة" في المجال الدفاعي. ^{[ 21 ]} سيوفر القمر الصناعي اتصالات آمنة بين بكين وأورومتشي، عاصمة شينجيانغ ، المنطقة الغربية النائية في الصين. ^{[ 21 ]} تعتقد وزارة الدفاع الأمريكية أن الصين تهدف إلى امتلاك القدرة على مواجهة استخدام تكنولوجيا الفضاء المعادية. ^{[ 21 ]} أولى الأمين العام للحزب الشيوعي الصيني، شي جين بينغ، أولوية قصوى لبرنامج الفضاء الصيني، والذي تضمن تجارب صواريخ مضادة للأقمار الصناعية ، وأشارت صحيفة نيويورك تايمز إلى أن تكنولوجيا الكم كانت محور الخطة الخمسية الثالثة عشرة التي وضعتها الحكومة الصينية في وقت سابق من ذلك العام. ^{[ 22 ]} ذكرت صحيفة وول ستريت جورنال أن الإطلاق وضع الصين في طليعة منافسيها، وقربها من "اتصالات محصنة ضد الاختراق". ^{[ 23 ]} أشارت عدة مصادر إعلامية إلى أن تسريب إدوارد سنودن لوثائق المراقبة الأمريكية كان دافعًا لتطوير مشروع QUESS، حيث وصفته مجلة Popular Science بأنه "قمر صناعي لعصر ما بعد سنودن". ^{[ 17 ] [ 24 ] [ 25 ]}

يُعدّ QUESS أول مركبة فضائية تُطلق قادرة على توليد فوتونات متشابكة في الفضاء، ^{[ 5 ]} على الرغم من أن نقل الفوتونات المفردة عبر الأقمار الصناعية قد تم إثباته سابقًا عن طريق عكس الفوتونات المُولّدة في محطات أرضية عن أقمار صناعية تدور في مداراتها. ^{[ 26 ]} وبينما لم يتم توليد فوتونات متشابكة بالكامل، فقد تم إنتاج أزواج مترابطة من الفوتونات في الفضاء باستخدام قمر صناعي مكعب من قِبل جامعة سنغافورة الوطنية وجامعة ستراثكلايد . ^{[ 26 ]} وقد أجرى اتحاد ألماني قياسات كمومية للإشارات الضوئية من محطة الاتصالات الليزرية الثابتة بالنسبة للأرض Alphasat . ^{[ 27 ]} أطلقت وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة الأمريكية (DARPA) مشروع QUESS للاتصالات الكمومية الكلية لتحفيز تطوير إنترنت كمومي عالمي متكامل في عام 2012.

تعتزم وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) إطلاق القمر الصناعي "إيجل-1" لتوزيع المفاتيح الكمومية في أواخر عام 2025 أو أوائل عام 2026، بهدف مماثل لهدف القمر الصناعي الصيني "كويس". وسيكون هذا القمر جزءًا من تطوير ونشر البنية التحتية الأوروبية للاتصالات الكمومية (يورو كيو سي آي). ^{[ 28 ]}

• برنامج الفضاء الصيني
• علم المعلومات الكمي
• المعلومات الكمومية
  • التشفير الكمي
  • الحوسبة الكمومية
  • توزيع المفاتيح الكمومية
  • النقل الكمومي

• إطلاق QUESS مؤرشف بتاريخ 2017-11-06 على موقع Wayback Machine (باللغة الصينية)
• موقع 3Cat-2 Satellite الإلكتروني في جامعة البوليتكنيك في كاتالونيا