Forskare utvecklade en miniatyriserad källa till kvantinvikling som mäter endast 20 x 10 centimeter. Upphovsman:Center for Quantum Technologies, National University of Singapore
I ett kritiskt steg mot att skapa ett globalt kvantkommunikationsnätverk, forskare har genererat och upptäckt kvantinvikling ombord på en CubeSat -nanosatellit som väger mindre än 2,6 kilo och kretsar kring jorden.
"I framtiden, vårt system kan vara en del av ett globalt kvantnätverk som överför kvantsignaler till mottagare på jorden eller på andra rymdfarkoster, "sade huvudförfattaren Aitor Villar från Center for Quantum Technologies vid National University of Singapore." Dessa signaler kan användas för att implementera alla typer av kvantkommunikationsapplikationer, från kvantnyckeldistribution för extremt säker dataöverföring till kvantteleportation, där information överförs genom att replikera tillståndet för ett kvantsystem på avstånd. "
I Optica , The Optical Society's (OSA) tidskrift för högeffektiv forskning, Villar och en internationell grupp forskare visar att deras miniatyriserade källa till kvantinträngning kan fungera framgångsrikt i rymden ombord på en lågresurs, kostnadseffektiv CubeSat som är mindre än en skokartong. CubeSats är en standardtyp av nanosatellit gjord av multiplar av 10 cm × 10 cm × 10 cm kubiska enheter.
"Framsteg mot ett rymdbaserat globalt kvantnätverk sker i snabb takt, "sade Villar." Vi hoppas att vårt arbete inspirerar nästa våg av rymdbaserade kvantteknologiska uppdrag och att nya applikationer och teknik kan dra nytta av våra experimentella resultat. "
Miniatyriserande kvantinvikling
Det kvantmekaniska fenomenet som kallas förträngning är viktigt för många kvantkommunikationsapplikationer. Dock, Det är inte möjligt att skapa ett globalt nätverk för förträngningsdistribution med optiska fibrer på grund av de optiska förluster som uppstår över långa avstånd. Utrustning liten, standardiserade satelliter i rymden med kvantinstrument är ett sätt att tackla denna utmaning på ett kostnadseffektivt sätt.
Som ett första steg, forskarna behövde visa att en miniatyriserad fotonkälla för kvantinvikling kunde förbli intakt genom spänningarna vid uppskjutning och fungera framgångsrikt i den hårda miljön i en satellit som kan ge minimal energi. För att åstadkomma detta, de undersökte uttömmande varje komponent i foton-parkällan som användes för att generera kvantinvikling för att se om den kunde göras mindre eller mer robust.
SpooQy-1 CubeSat innehåller ett miniatyriserat kvantinstrument som skapar par av fotoner med kvantegenskaperna för intrassling. Trasseln upptäcks i korrelationer av fotonernas polarisationer. Upphovsman:Center for Quantum Technologies, National University of Singapore och NASA
"I varje utvecklingsstadium, vi var aktivt medvetna om massbudgetarna, storlek och kraft, "sa Villar." Genom att iterera designen genom snabb prototypering och testning, vi kom fram till en robust, paket med liten formfaktor för alla komponenter i hyllan som behövs för en intrasslad fotonparkälla. "
Den nya miniatyriserade foton-parkällan består av en blå laserdiod som lyser på olinjära kristaller för att skapa par av fotoner. För att uppnå förträngning av hög kvalitet krävdes en fullständig omdesign av fästena som anpassar de olinjära kristallerna med hög precision och stabilitet.
Lansering i omloppsbana
Forskarna kvalificerade sitt nya instrument för rymden genom att testa dess förmåga att motstå vibrationer och termiska förändringar som upplevs under en raketuppskjutning och rymdoperation. Fotonparets källa upprätthöll mycket högkvalitativ intrassling under hela testningen, och kristallinriktning bevarades även efter upprepad temperaturcykling från -10 ° C till 40 ° C.
Forskarna införlivade sitt nya instrument i SpooQy-1, en CubeSat som placerades ut i omloppsbana från den internationella rymdstationen den 17 juni 2019. Instrumentet skapade framgångsrikt intrasslade fotonpar över temperaturer från 16 ° C till 21,5 ° C.
"Denna demonstration visade att miniatyriserad intrasslingsteknik kan fungera bra samtidigt som den förbrukar lite ström, "sa Villar." Detta är ett viktigt steg mot ett kostnadseffektivt tillvägagångssätt för distribution av satellitkonstellationer som kan tjäna globala kvantnät. "Projektet finansierades av Singapores National Research Foundation.
Forskarna arbetar nu med RALSpace i Storbritannien för att designa och bygga en kvantnanosatellit som liknar SpooQy-1 med de funktioner som behövs för att stråla intrasslade fotoner från rymden till en markmottagare. Detta är tänkt för demonstration ombord på ett uppdrag 2022. De samarbetar också med andra team för att förbättra CubeSats förmåga att stödja kvantnätverk.
