Kvantindvikling demonstreret ombord på en bane rundt om CubeSat

I et kritisk skridt mod at oprette et globalt kvantekommunikationsnetværk, forskere har genereret og opdaget kvanteforvikling ombord på en CubeSat nanosatellit, der vejer mindre end 2,6 kilo og kredser om jorden.

"I fremtiden, vores system kan være en del af et globalt kvantenetværk, der sender kvantesignaler til modtagere på Jorden eller på andre rumfartøjer, "sagde hovedforfatter Aitor Villar fra Center for Quantum Technologies ved National University of Singapore." Disse signaler kunne bruges til at implementere enhver form for kvantekommunikationsapplikation, fra kvantnøglefordeling til ekstremt sikker datatransmission til kvanteteleportation, hvor oplysninger overføres ved at replikere tilstanden af ​​et kvantesystem på afstand. "

I Optica , The Optical Society's (OSA) journal for high impact research, Villar og en international gruppe forskere demonstrerer, at deres miniaturiserede kilde til kvantefiltring kan fungere med succes i rummet ombord på en lavressource, omkostningseffektiv CubeSat, der er mindre end en skokasse. CubeSats er en standardtype af nanosatellit lavet af multipla på 10 cm × 10 cm × 10 cm kubiske enheder.

"Fremskridt mod et rumbaseret globalt kvantenetværk sker i et hurtigt tempo, "sagde Villar." Vi håber, at vores arbejde inspirerer den næste bølge af rumbaserede kvanteteknologiske missioner, og at nye applikationer og teknologier kan drage fordel af vores eksperimentelle fund. "

Miniaturisering af kvanteindvikling

Det kvantemekaniske fænomen kendt som sammenfiltring er afgørende for mange kvantekommunikationsapplikationer. Imidlertid, Det er ikke muligt at oprette et globalt netværk til sammenfiltringsdistribution med optiske fibre på grund af de optiske tab, der opstår over lange afstande. Udstyret lille, standardiserede satellitter i rummet med kvanteinstrumentering er en måde at tackle denne udfordring på en omkostningseffektiv måde.

Som et første skridt, forskerne havde brug for at demonstrere, at en miniaturiseret fotonkilde til kvanteindvikling kunne forblive intakt gennem belastningerne ved opsendelsen og fungere med succes i det barske miljø i rummet i en satellit, der kan levere minimal energi. For at opnå dette, de undersøgte udtømmende hver komponent i foton-par-kilden, der blev brugt til at generere kvanteforvikling for at se, om den kunne gøres mindre eller mere robust.

"På hvert trin i udviklingen vi var aktivt bevidste om budgetterne for masse, størrelse og kraft, "sagde Villar." Ved at gentage designet gennem hurtig prototyping og testning, vi nåede frem til en robust, lille faktor-pakke til alle de komponenter på hylden, der er nødvendige for en sammenfiltret fotonpar-kilde. "

Den nye miniaturiserede foton-par-kilde består af en blå laserdiode, der skinner på ikke-lineære krystaller for at skabe par fotoner. Opnåelse af sammenfiltring af høj kvalitet krævede et komplet redesign af beslagene, der justerer de ikke-lineære krystaller med høj præcision og stabilitet.

Lancering i kredsløb

Forskerne kvalificerede deres nye instrument til rummet ved at teste dets evne til at modstå vibrationer og termiske ændringer under en raketopskydning og operation i rummet. Kilden til foton-par opretholdt sammenfiltring af meget høj kvalitet under hele testen, og krystalopretning blev bevaret, selv efter gentagen temperaturcyklus fra -10 ° C til 40 ° C.

Forskerne indarbejdede deres nye instrument i SpooQy-1, en CubeSat, der blev indsat i kredsløb fra den internationale rumstation den 17. juni 2019. Instrumentet genererede med succes sammenfiltrede fotonpar over temperaturer fra 16 ° C til 21,5 ° C.

"Denne demonstration viste, at miniaturiseret sammenfiltringsteknologi kan fungere godt, mens den bruger lidt strøm, "sagde Villar." Dette er et vigtigt skridt i retning af en omkostningseffektiv tilgang til indsættelsen af ​​satellitkonstellationer, der kan tjene globale kvantenetværk. "Projektet blev finansieret af Singapores National Research Foundation.

Forskerne arbejder nu med RALSpace i Storbritannien for at designe og bygge en kvante-nanosatellit, der ligner SpooQy-1, med de nødvendige funktioner til at stråle sammenfiltrede fotoner fra rummet til en jordmodtager. Dette er planlagt til demonstration ombord på en mission i 2022. De samarbejder også med andre teams for at forbedre CubeSats evne til at understøtte kvante netværk.