SEAQUE:將在國際空間站進行的“自修復”量子通信技術演示

今年晚些時候發射到國際空間站的一個微型實驗可能為未來的全球量子網絡奠定基礎。這項名為 “空間糾纏退火量子實驗”(SEAQUE)的牛奶盒大小的技術演示將在惡劣的太空環境中測試兩種通信技術。

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量子計算機有希望以比傳統計算機快數百萬倍的速度運行,而分佈式量子傳感器通過測量重力的微小變化,可能會帶來對地球和我們在宇宙中位置的新認識。但是,為了讓量子計算機或量子傳感器進行通信,它們將需要一個專門的通信網絡。這個網絡的一個關鍵組成部分將是空間“節點”,它們可以通過自由空間的光通信接收和傳輸地面的量子數據。

SEAQUE旨在證明技術的可行性,這些技術可以使軌道上的節點安全地連接遠距離的量子發射器和接收器。要做到這一點,這些節點將需要產生和檢測一對糾纏的光子。最終,將這種光子傳輸到地面上的量子計算機可以為量子云計算提供基礎–無論計算機位於何處,都可以交換和處理量子數據。

一旦連接到空間站的外部,SEAQUE還將測試一種技術,以幫助天基節點從輻射損傷中“自我修復”,這是在太空中維護精密儀器的一個持續挑戰。

美國宇航局噴氣推進實驗室的SEAQUE聯合研究員Makan Mohageg說:“展示這兩項技術為未來的全球量子網絡奠定了基礎,這些網絡可以連接相隔數百甚至數千英里的量子計算機。”

就像它要實現的網絡一樣,這個項目是全球性的。SEAQUE合作項目包括來自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的科學家和學生,他們是項目的領導者;加拿大滑鐵盧大學;新加坡國立大學;位於蒙大拿州的工業合作夥伴AdvR公司;位於德克薩斯州的商業空間系統供應商Nanoracks;以及JPL。

糾纏的力量

一對糾纏的光子是如此緊密地聯繫在一起,即使相隔很遠,測量一個光子也會立即影響到測量另一個光子的結果。這是量子力學系統的一個基本特徵。SEAQUE的糾纏光子源將高能光子分成一對糾纏的“子”光子。然後對這些子光子進行計數,其量子特性由儀器的內部探測器進行測量。

其他天基量子實驗都是依靠體外光學(將光聚焦到一個特殊的晶體中)來產生糾纏光子,而SEAQUE則是依靠一個使用波導的糾纏光子集成源–這在航天器上是第一次。波導是一種微觀結構,它就像光子的高速公路,在量子狀態幾乎沒有損失的情況下引導其傳輸。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的該項目的主要研究人員 Paul Kwiat說:“SEAQUE將展示一種新的、從未飛行過的基於集成光學的糾纏源。與以前的空間實驗中使用的散裝光學糾纏源相比,這樣的源本身要小得多,更堅固,更有效地產生光子對。”

例如,在發射過程中,那些散裝光學器件在被搖晃后需要由地面上的操作員進行精細的光學重新調整,而SEAQUE的光學器件則不會。

Mohageg說:“如果你要建立一個全球量子網絡,連接不同大洲的數百個量子地面站,你就不能讓一個人在環路上保持每個節點上的源的光學對準。像SEAQUE公司將要飛行的那種基於波導的單片機源將是朝着可擴展的全球量子信息網絡的巨大進步。”

如果SEAQUE證明它也能修復輻射造成的損害,那麼該技術演示的可靠性將得到另一次提升。

量子通信節點將需要高度敏感的探測器來接收來自地球表面的單光子量子信號。當來自太空的高能粒子或輻射擊中節點的探測器時,它們將隨着時間的推移產生缺陷。這些缺陷會在探測器的輸出中表現為 “暗計數”,產生噪音,最終會壓倒來自地面的任何量子信號。如果不加以控制,空間輻射最終會使這些探測器嚴重退化,以至於需要定期更換,從而阻礙了全球量子通信網絡的可行性。

雖然探測來自地球的信號超出了這項技術演示的範圍,但SEAQUE將使用其探測器陣列來計算其糾纏源產生的光子。而且SEAQUE公司將使用一個明亮的激光器來定期修復輻射引起的損害,這些損害將影響探測器陣列的計數–這是另一個首次。

“在地面的測試中,我們發現這種技術會使晶格中的缺陷‘冒泡’–一個被稱為‘退火’的過程–從而減少探測器的噪音,並有可能延長空間量子節點的壽命,促進一個強大的全球網絡,”Kwiat說。

SEAQUE 將由 Nanoracks擁有和運營的Bishop 氣閘託管在空間站上。Nanoracks 還提供任務操作服務和協調發射服務。SEAQUE 的集成光學糾纏光子源由 AdvR, Inc. 開發。該技術演示預計不早於 2022 年 8 月發射,由 NASA 科學任務理事會內的生物和物理科學部資助。

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