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在轨立方体卫星上演示量子纠缠——向基于天基

更新时间:2020-07-06 22:43点击:

经济实惠的天基全球量子网络有望实现安全通信等功能。

在创建全球量子通信网络的关键一步中,研究人员已经在一颗重不到2.6公斤、绕地球运行的立方体卫星上生成并探测到了量子纠缠。

在未来,我们的系统可能成为全球量子网络的一部分,将量子信号传输到地球或其他航天器上的接收器。来自新加坡国立大学量子技术中心的首席作者Aitor Villar说。这些信号可以用于实现任何类型的量子通信应用,从极其安全的数据传输的量子密钥分发到量子隐形传态,在量子隐形传态中,信息通过远距离复制量子系统的状态来传输。

在光学学会(OSA)《高影响研究》杂志上,Villar和一个国际研究小组证明,他们的量子纠缠小型化源可以在一颗比鞋盒还小的低资源、低成本的立方体卫星上成功运行。立方体卫星是一种标准类型的微型卫星,由10厘米的倍数构成;10厘米报;10立方厘米的单位。

以天基为基础的全球量子网络正在快速发展,维拉说。我们希望我们的工作能激发下一波天基量子技术任务,希望新的应用和技术能从我们的实验发现中受益。

量子纠缠小型化

被称为量子纠缠的量子力学现象在许多量子通信应用中是必不可少的。然而,利用光纤创建一个纠缠分布的全球网络是不可能的,因为光损耗会发生在很长的距离上。给太空中的小型标准化卫星配备量子仪器是一种以成本效益的方式应对这一挑战的方法。

作为第一步,研究人员需要证明一个用于量子纠缠的小型光子源能够在发射过程中保持完整,并且能够在提供最小能量的卫星内的恶劣空间环境中成功运行。为了做到这一点,他们详尽地检查了用来产生量子纠缠的光子对源的每一个成分,看看是否可以把它做得更小或更坚固。

在开发的每个阶段,我们都积极关注质量、规模和功率的预算。维拉说。通过快速原型设计和测试迭代设计,我们得到了一个健壮的、小尺寸的包,用于所有用于纠缠光子对源所需的现成组件。

这种新型的小型光子对光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。要实现高质量的缠结,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

研究人员通过测试新仪器在火箭发射和太空操作中承受振动和热变化的能力,使其在太空中合格。在整个测试过程中,光子对源保持了非常高质量的纠缠,即使在温度从-10℃循环到40℃之后,晶体排列仍然保持不变。

2019年6月17日,一颗立方体卫星“幽灵一号”从国际空间站发射进入轨道。该仪器成功地在16摄氏度到21.5摄氏度的温度下产生了纠缠光子对。

该演示表明,微型化纠缠技术在耗电量小的情况下,可以很好地工作。维拉说。这是朝着具有成本效益的部署卫星星座的重要一步,可以为全球量子网络服务。该项目由新加坡国家研究基金会资助。

研究人员目前正与英国RALSpace公司合作,设计并建造一个类似于spooq1的量子纳米卫星,该卫星具有将纠缠光子从太空发射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:艾托尔·维拉尔的"纳米卫星上的纠缠演示" 亚历山大·洛尔曼、白学良、汤姆·韦尔古森、罗伯特·贝丁顿、奇特拉巴努·罗曼南格特、怀英·林、坦维鲁尔·伊斯兰、艾莎·雷兹瓦纳、唐忠干、拉希塔·钱德拉塞卡拉、苏巴什·萨奇达南达、卡迪尔·杜拉克、克里斯托夫·威尔德费尔、道格拉斯·格里芬、丹尼尔·L·Oi和亚历山大·林,2020年6月25日,光学。

DOI: 10.1364/OPTICA. 387306