光學學會在軌道立方體衛星上演示量子糾纏

2020-08-28 科學新聞前沿

研究人員開發了一種微型化的量子糾纏源，其尺寸僅為20x10釐米。

研究人員研製出一種小型的量子糾纏源，其測量只有20到10釐米。來源：新加坡國立大學量子技術中心

在建立全球量子通信網絡的關鍵一步中，研究人員在一顆重量不到2.6公斤、繞地球運行的立方體衛星上產生並檢測到了量子糾纏。

「未來，我們的系統可能會成為全球量子網絡的一部分，向地球或其他太空飛行器上的接收器傳輸量子信號，」新加坡國立大學量子技術中心的主要作者艾託爾·維拉爾（Aitor Villar）說。 這些信號可以用來實現任何類型的量子通信應用，從用於極其安全的數據傳輸的量子密鑰分發，到通過從遠處複製量子系統的狀態來傳輸信息的量子隱形傳態。

在光學學會(OSA)的高影響研究期刊Optica上，Villar和一個國際研究小組展示了他們的微型量子糾纏源可以在比鞋盒還小的低資源、高成本效益的立方體衛星上成功地在太空中運行。 立方體衛星是一種標準類型的納米衛星，由10釐米×10釐米×10釐米立方體單位的倍數組成。

維拉爾說：「以太空為基礎的全球量子網絡的進展速度很快。」 「我們希望我們的工作能激發下一波天基量子技術任務，並希望新的應用和技術能從我們的實驗發現中受益。」

量子糾纏小型化。

被稱為糾纏的量子力學現象在許多量子通信應用中是必不可少的。 然而，由於長距離的光學損耗，使用光纖創建全球糾纏分布網絡是不可能的。 在太空中為小型標準化衛星配備量子儀器是以經濟高效的方式應對這一挑戰的一種方式。

SpooQy-1 CubeSat 包含一個小型量子儀器，用於創建具有糾纏量子屬性的光子對。

作為第一步，研究人員需要證明，用於量子糾纏的微型光子源可以在發射的壓力下保持完好無損，並在衛星內惡劣的太空環境中成功運行，而衛星可以提供最低的能量。 為了做到這一點，他們詳盡地檢查了用於產生量子糾纏的光子對源的每個組件，看看是否可以將其變得更小或更堅固。

SpoQy-1立方體衛星包含一個微型量子儀器，可以創建具有糾纏量子屬性的光子對。 糾纏是通過光子偏振的關聯來檢測的。 來源：新加坡國立大學量子技術中心和美國國家航空航天局。

「在發展的每個階段，我們都積極意識到質量、規模和權力的預算，」維拉爾說。 通過快速原型設計和測試的迭代設計，我們得到了一種用於糾纏光子對源所需的所有現成組件的堅固、小巧的封裝。「。

新的微型光子對光源由一個藍色雷射二極體組成，它照射在非線性晶體上，產生光子對。 要實現高質量的糾纏，需要完全重新設計支架，以高精度和穩定性對準非線性晶體。

發射進入軌道。

研究人員通過測試其承受火箭發射和太空操作期間經歷的振動和熱變化的能力，使他們的新儀器有資格用於太空。 光子對源在整個測試過程中保持了非常高質量的糾纏，即使在-10°C到40°C的重複溫度循環後，晶體的排列也保持不變。

研究人員將他們的新儀器安裝到Spoqy-1中，這是一顆立方體衛星，於2019年6月17日從國際空間站部署到軌道上。 該儀器成功地在16°C到21.5°C的溫度範圍內產生了糾纏光子對。

藍色發光的量子計算機（概念圖）

維拉爾說：「這一演示表明，微型化的糾纏技術可以在消耗很少電力的情況下很好地工作。」 這是朝著部署能夠服務於全球量子網絡的衛星星座的高性價比方法邁出的重要一步。「。 該項目由新加坡國家研究基金會資助。

研究人員目前正在與英國的RALSpace合作，設計和建造一顆類似SpoQy-1的量子納米衛星，具有將糾纏光子從太空傳輸到地面接收器所需的能力。 這將在2022年的任務中進行演示。 他們還與其他團隊合作，提高立方體衛星支持量子網絡的能力。

來源：phys.org

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