国际空间站将进行量子通信技术演示

光子盒研究院出品

美国宇航局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)表示，今年晚些时候发射到国际空间站的一项小型实验可能为未来的全球量子网络奠定基础。这项名为空间纠缠和退火量子实验(或SEAQUE)的技术演示将在恶劣的太空环境中测试两种通信技术。

量子计算机有望比传统计算机快数百万倍，分布式量子传感器可以通过测量重力的微小变化，对地球和我们在宇宙中的位置产生新的理解。但要让量子计算机或量子传感器进行通信，它们需要一个专用的通信网络。这个网络的一个关键组成部分将是空间“节点”，可以通过自由空间光通信接收和传输量子数据。

SEAQUE着手证明技术的可行性，这些技术可以使轨道节点安全地连接远距离的量子发射器和接收器。要做到这一点，这些节点将需要产生并检测成对的纠缠光子。最终，将这种光子传输到地面上的量子计算机可以为量子云计算提供基础——无论计算机位于何处，都可以交换和处理量子数据。

一旦连接到空间站的外部，SEAQUE还将测试一项技术，以帮助天基节点从辐射损伤中“自愈”(self-heal)，这是在太空中维护精密仪器的持续挑战。

NASA喷气推进实验室SEAQUE联合研究员Makan Mohageg表示：“展示这两种技术为未来的全球量子网络奠定了基础，该网络可以连接相距数百甚至数千英里的量子计算机。”

SEAQUE项目是全球性的。合作伙伴包括正在领导这个项目的伊利诺伊大学香槟分校；加拿大滑铁卢大学；新加坡国立大学；位于蒙大拿州的行业合作伙伴AdvR, Inc.；德克萨斯州的商业空间系统提供商Nanoracks；以及JPL。

SEAQUE将通过Nanoracks公司的Bishop气阀舱托管在国际空间站上，连接在气阀舱侧面的蓝色和金色支架用于外部有效载荷。技术演示将在其中一个地点进行。

纠缠光子对之间的联系非常紧密，导致测量其中一个光子会立即影响测量另一个光子的结果，即使它们相隔很远。这是量子力学系统的一个基本特征。SEAQUE的纠缠光子源将高能光子分裂成一对纠缠的“子”光子。然后对这些子光子进行计数，并通过仪器的内部探测器测量它们的量子特性。

其他基于空间的量子实验依赖于大型的光学设备(将光聚焦到一种特殊的晶体中)以产生纠缠光子，但SEAQUE依赖于使用波导的集成纠缠光子源，这在航天器中是第一次。波导是一种微观结构，其作用就像光子的高速公路，在几乎不损失量子态的情况下引导光子的传输。

该项目的首席研究员、来自伊利诺伊大学香槟分校的Paul Kwiat表示：“SEAQUE将展示一种基于集成光学的新的、前所未有的纠缠源。与以前空间实验中使用的大型光学纠缠源相比，这种光源本质上更小、更坚固，在产生光子对方面也更有效。”

例如，如果在发射过程中受到震动影响，这些大型光学器件需要地面操作员进行精密的光学重新对准，而SEAQUE的光学器件则不需要。

Mohageg说：“如果你正在建立一个全球量子网络，连接不同大洲的数百个量子地面站，就无法保持每个节点的源的光学对准。基于单片波导的光源，如SEAQUE即将发射的光源，将是朝着可扩展的全球量子信息网络迈出的一大步。”

如果SEAQUE能够证明它能修复辐射对其造成的损伤，那么该技术演示的可靠性可能会得到进一步提升。

量子通信节点需要高灵敏度的探测器来接收来自地面的单光子量子信号。当来自太空的高能粒子或辐射击中节点的探测器时，这些探测器会随着时间的推移产生缺陷。这些缺陷可以表现为探测器输出中的“暗计数”，产生的噪声最终会淹没来自地面的任何量子信号。如果不加以控制，空间辐射最终将使此类探测器性能下降，以至于需要定期更换，从而阻碍全球量子通信网络的可行性。

虽然探测来自地球的信号超出了该技术演示的范围，但SEAQUE将使用其探测器阵列来计数其纠缠源产生的光子。SEAQUE将使用强激光器定期修复辐射引起的损伤——这是另一个首次。

Kwiat说：“在地面测试中，我们发现这种技术可以降低探测器噪声，并可能延长空间量子节点的寿命，从而建立一个强大的全球网络，”

SEAQUE将由Nanoracks的Bishop气阀舱托管在国际空间站上。Nanoracks还提供任务运行服务和协调发射服务。用于SEAQUE的集成光学纠缠光子源则由AdvR公司开发。

参考链接：

https://phys.org/news/2022-03-space-station-host-self-healing-quantum.html

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