在轨立方体卫星上演示的量子纠缠——迈向基于空间的全球量子网络的一步

卫星纠缠

SpooQy-1立方体卫星包含一个微型量子仪器,它可以产生具有量子纠缠特性的光子对。纠缠是通过光子极化的相关性检测到的。资料来源:新加坡国立大学和美国国家航空航天局量子技术中心

提前准备能够实现经济高效的基于空间的全局量子网络,用于安全通信等等。

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小于2.6公斤、绕地球运行的CubeSat纳米卫星上生成并探测到了量子纠缠。

“将来,我们的系统可以成为全球量子网络向地球或其他航天器上传输量子信号的一部分,”新加坡国立大学昆腾技术中心的领先作者i villar说。“这些信号可用于实现任何类型的量子通信应用,从量子密钥分布到极度安全的数据传输到量子传输,通过从距离复制量子系统的状态来传输信息。”

视神经节在美国《光学学会(OSA)高影响研究期刊》上发表的一篇论文中,维拉尔和一个国际研究小组证明,他们的微型量子纠缠源可以在一个比鞋盒还小、资源少、成本低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。

“以太空为基础的全球量子网络正在快速发展,”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,新的应用和技术也能从我们的实验发现中受益。”

量子纠缠小型化

称为纠缠的量子力学现象对于许多量子通信应用是必不可少的。然而,由于长距离发生的光学损耗,光纤无法创建用于纠缠分布的全局网络。用量子仪器装备小型标准化卫星的空间中是一种以成本效益的方式解决这一挑战的一种方式。

量子纠缠源

研究人员开展了一种小型化的量子纠缠来源,仅衡量20厘米10厘米。信贷:新加坡国立大学昆腾技术中心

作为第一步,研究人员所需的表明,用于量子缠结的小型化光子源可以通过发射的应力保持完整,并在可以提供最小能量的卫星内的空间的恶劣环境中成功运行。为了实现这一点,他们彻底地检查了用于产生量子缠结的光子对源的每个部件,以查看它是否可以更小或更坚固。

Villar说:“在开发的每一个阶段,我们都积极意识到质量、规模和权力的预算。”“通过快速原型设计和测试的迭代设计,我们得到了一个强大的、小尺寸的元件包,用于所有现货供应的纠缠光子对源组件。”

这种新型的微型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。实现高质量的纠缠需要完全重新设计支架,使非线性晶体具有高精度和稳定性。

发射进入轨道

研究人员通过测试其承受火箭发射和空间运行期间经历的振动和热变化的能力来获得空间的新仪器。光子对源在整个测试中保持非常高质量的缠结,即使在从-10℃至40℃的重复温度循环后,也保持晶体对准。

研究人员将其新乐器纳入SPOOQY-1,一个立方体,该仪器于2019年6月17日从国际空间站部署到国际空间站轨道上。该仪器成功地在16°C至21.5°C的温度下产生了光子对。

“这一示威认为,小型化的纠缠技术可以很好地工作,同时消耗很小的力量,”村庄说。“这是迈向可以为全球量子网络部署的卫星星座部署的经济高效方法的重要一步。”该项目由新加坡国家研究基金会提供资金。

研究人员目前正与英国的RALSpace公司合作,设计并建造一颗类似于SpooQy-1的量子纳米卫星,该卫星具备将纠缠光子从太空发送到地面接收器的能力。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:Aitor Villar, Alexander Lohrmann, Xueliang Bai, 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,视神经节
DOI:10.1364 / OPTICA.387306

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