“SpooQy-1”立方体卫星包含一个小型化的量子仪器,它可以产生具有量子纠缠特性的光子对。纠缠是通过光子偏振的相关性来检测的。资料来源:新加坡国立大学量子技术中心和美国宇航局
提前做好准备,使太空ba具有成本效益Sed全球量子网络,用于安全通信等。
在创建全球量子通信网络的关键一步中,研究人员在一颗重量不到2.6公斤、环绕地球运行的CubeSat纳米卫星上生成并检测到了量子纠缠。
“在未来,我们的系统可能成为全球量子网络的一部分,向地球或其他航天器上的接收器传输量子信号,”来自新加坡国立大学量子技术中心的主要作者奥托·维拉尔说。“这些信号可以用于实现任何类型的量子通信应用,从用于极其安全的数据传输的量子密钥分发,到通过远程复制量子系统状态来传输信息的量子隐形传态。”
在光学学会(OSA)的高影响研究期刊《光学》(Optica)上,维拉尔和一组国际研究人员证明,他们的小型化量子纠缠源可以在一个比鞋盒还小的低资源、低成本的立方体卫星上成功运行。立方体卫星是由10厘米× 10厘米× 10厘米立方单位的倍数组成的一种标准类型的纳米卫星。
“天基全球量子网络的发展速度很快,”维拉尔说。“我们希望我们的工作能激发下一波天基量子技术任务,新的应用和技术可以受益于我们的实验发现。”
量子纠缠小型化
被称为纠缠的量子力学现象对许多量子通信应用至关重要。然而,用光纤创建一个纠缠分布的全球网络是不可能的,因为在长距离中会发生光损耗。在太空中为小型标准化卫星装备量子仪器是一种以成本效益高的方式应对这一挑战的方法。
研究人员开发了一种尺寸仅为20 × 10厘米的小型化量子纠缠源。资料来源:新加坡国立大学量子技术中心
作为第一步,研究人员需要证明,用于量子纠缠的小型化光子源可以在发射的应力下保持完整,并在卫星内提供最小能量的恶劣空间环境中成功运行。为了实现这一目标,他们详尽地检查了用于产生量子纠缠的光子对源的每个组成部分,以确定是否可以把它做得更小或更坚固。
Villar说:“在开发的每个阶段,我们都很注重质量、规模和功率的预算。”“通过快速原型和测试来迭代设计,我们得到了一个强大的、小型的组件包,用于纠缠光子对源所需的所有现成组件。”
这种新型小型化光子对源由一个蓝色激光二极管组成,它照射在非线性晶体上产生光子对。要实现高质量的纠缠,需要完全重新设计安装,以高精度和稳定性校准非线性晶体。
发射进入轨道
研究人员通过测试他们的新仪器在火箭发射和太空操作期间经受振动和热变化的能力来确定其用于太空的资格。在整个测试过程中,光子对源保持了非常高质量的纠缠,即使在-10°C到40°C的反复温度循环下,晶体对齐也保持了下来。
研究人员将他们的新仪器安装在“幽灵-1”上,这是一颗立方体卫星,于2019年6月17日从国际空间站部署到轨道上。该仪器成功地在16°C到21.5°C的温度下产生了纠缠光子对。
Villar说:“这一演示表明,微型化纠缠技术可以在消耗少量电力的情况下很好地工作。”“这是朝着能够服务全球量子网络的卫星星座部署的成本效益方法迈出的重要一步。”该项目由新加坡国家研究基金会资助。
研究人员现在正与英国的RALSpace合作,设计和建造一颗类似于幽灵1号的量子纳米卫星,该卫星具有从太空向地面接收器发送纠缠光子的能力。这将在2022年的任务中进行演示。他们还与其他团队合作,提高立方体卫星支持量子网络的能力。
参考资料:“纳米卫星上的纠缠演示”,Aitor Villar、Alexander Lohrmann、白雪亮、Tom Vergoossen、Robert Bedington、Chithrabhanu Perumangatt、Huai Ying Lim、Tanvirul Islam、Ayesha Reezwana、Zhongkan Tang、Rakhitha Chandrasekara、Subash Sachidananda、Kadir Durak、Christoph F. Wildfeuer、Douglas Griffin、Daniel K. L. Oi和Alexander Ling, 2020年6月25日,Optica。DOI: 10.1364 / OPTICA.387306