轨道CubeSat上展示的量子纠缠–迈向基于空间的全球量子网络

SpooQy-1 CubeSat包含一个小型量子仪器，该仪器创建具有纠缠量子性质的成对光子。在光子极化的相关性中检测到纠缠。

先进技术有望实现具有成本效益的基于空间的全球量子网络，以实现安全通信等。

在创建全球量子通信网络的关键步骤中，研究人员已经在小于2.6千克，绕地球轨道运行的CubeSat纳米卫星上产生并检测了量子纠缠。

新加坡国立大学量子技术中心的主要作者阿尼特·比利亚尔说：“将来，我们的系统可能成为将量子信号传输到地球或其他航天器上的接收器的全球量子网络的一部分。”“这些信号可用于实现任何类型的量子通信应用程序，从用于极其安全的数据传输的量子密钥分发到量子远距传输，其中通过从远处复制量子系统的状态来传输信息。”

在光学协会（OSA）的高影响力研究期刊Optica中，比利亚（Villar）和一个国际研究小组证明，他们的微型量子纠缠源可以在空间较小，成本效益高的CubeSat上运行，而该空间比卫星小得多。鞋盒。立方卫星是一种标准类型的纳米卫星，由10厘米10厘米10×厘米立×方单位的倍数制成。

比利亚尔说：“朝天基全球量子网络的发展正在迅速进行。”“我们希望我们的工作能激发下一波天基量子技术的使命，并希望新的应用和技术能够从我们的实验结果中受益。”

最小化量子纠缠

被称为纠缠的量子力学现象对于许多量子通信应用都是必不可少的。但是，由于长距离会发生光损耗，因此无法用光纤创建用于纠缠分布的全球网络。在太空中为小型标准化卫星配备量子仪器是一种以经济有效的方式应对这一挑战的方法。

研究人员开发了一种小型的量子纠缠源，其尺寸仅为20 x 10厘米。

第一步，研究人员需要证明，用于量子纠缠的微型光子源可以通过发射应力保持完整，并在可以提供最小能量的卫星恶劣环境中成功运行。为了实现这一目标，他们详尽地检查了用于产生量子纠缠的光子对源的每个组件，以查看它是否可以做得更小或更坚固。

Villar说：“在开发的每个阶段，我们都积极意识到质量，规模和功率的预算。”“通过快速的原型制作和测试来迭代设计，我们为缠结光子对光源所需的所有现成组件提供了一个强大的小型封装。”

新的小型化光子对源由一个蓝色激光二极管组成，该二极管照射在非线性晶体上以创建成对的光子。要实现高质量的纠缠，需要对支架进行完整的重新设计，以使非线性晶体具有高精度和高稳定性。

发射入轨道

研究人员通过测试其承受火箭发射和太空操作过程中经历的振动和热变化的能力，对他们的新仪器进行了太空验证。在整个测试过程中，光子对源均保持了非常高的质量纠缠，即使在从-10 C到40 C的反复温度循环之后，晶°体取向也得以°保留。

研究人员将他们的新仪器整合到SpooQy-1中，这是一个立方体卫星，已于2019年6月17日从国际空间站部署到了轨道。该仪器在16 C至21.5 C的温度范围内成功产°生了纠缠的光°子对。

Villar说：“该演示表明，小型纠缠技术可以很好地工作，而消耗的功率却很少。”“这是朝着以经济有效的方式部署可服务于全球量子网络的卫星星座的重要一步。”该项目由新加坡国家研究基金会资助。

研究人员现在正在与英国的RALSpace合作，设计和制造类似于SpooQy-1的量子纳米卫星，该卫星具有将纠缠的光子从太空发射到地面接收器所需的功能。预定在2022年的任务中进行示范。他们还与其他团队合作，以提高CubeSat支持量子网络的能力。

参考：“纳米卫星上的纠缠演示”，Aitor Villar，Alexander Lohrmann，白雪亮，Tom Vergoossen，Robert Bedington，Chithrabhanu Perumangatt，Huai Ying Lim，Tanvirul Islam，Ayesha Reezwana，Zhongkan Tang，Rakhitha Chandrasekara，Subash Sachidananda，Kadir Durak ，克里斯托夫·F·维尔德弗（Christoph F.Wildfeuer），道格拉斯·格里芬（Douglas Griffin），丹尼尔·克洛伊（Daniel KL Oi）和亚历山大·灵（Alexander Ling），2020年6月25日，奥迪卡。
10.1364 / OPTICA.387306