In een cruciale stap in de richting van het creëren van een wereldwijd kwantumcommunicatienetwerk, onderzoekers hebben kwantumverstrengeling gegenereerd en gedetecteerd aan boord van een CubeSat-nanosatelliet die minder dan 2,6 kilogram weegt en in een baan om de aarde draait.

"In de toekomst, ons systeem kan deel uitmaken van een wereldwijd kwantumnetwerk dat kwantumsignalen verzendt naar ontvangers op aarde of op andere ruimtevaartuigen, " zei hoofdauteur Aitor Villar van het Center for Quantum Technologies aan de National University of Singapore. "Deze signalen kunnen worden gebruikt om elk type kwantumcommunicatietoepassing te implementeren, van kwantumsleuteldistributie voor extreem veilige gegevensoverdracht tot kwantumteleportatie, waar informatie wordt overgedragen door de toestand van een kwantumsysteem op afstand te repliceren."

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA) voor onderzoek met hoge impact, Villar en een internationale groep onderzoekers tonen aan dat hun geminiaturiseerde bron van kwantumverstrengeling met succes kan opereren in de ruimte aan boord van een low-resource, voordelige CubeSat die kleiner is dan een schoenendoos. CubeSats zijn een standaard type nanosatelliet gemaakt van veelvouden van 10 cm × 10 cm × 10 cm kubieke eenheden.

"Vooruitgang in de richting van een op de ruimte gebaseerd wereldwijd kwantumnetwerk gaat in een snel tempo, " zei Villar. "We hopen dat ons werk de volgende golf van ruimtegebaseerde kwantumtechnologiemissies inspireert en dat nieuwe toepassingen en technologieën kunnen profiteren van onze experimentele bevindingen."

Miniaturisering van kwantumverstrengeling

Het kwantummechanische fenomeen dat bekend staat als verstrengeling is essentieel voor veel kwantumcommunicatietoepassingen. Echter, het creëren van een wereldwijd netwerk voor verstrengelingsdistributie is niet mogelijk met optische vezels vanwege de optische verliezen die optreden over lange afstanden. klein uitrusten, gestandaardiseerde satellieten in de ruimte met kwantuminstrumentatie is een manier om deze uitdaging op een kosteneffectieve manier aan te pakken.

Als eerste stap, de onderzoekers moesten aantonen dat een geminiaturiseerde fotonenbron voor kwantumverstrengeling intact zou kunnen blijven door de stress van de lancering en met succes zou kunnen werken in de barre omgeving van de ruimte in een satelliet die minimale energie kan leveren. Om dit te bereiken, ze onderzochten uitvoerig elk onderdeel van de foton-paarbron die werd gebruikt om kwantumverstrengeling te genereren om te zien of het kleiner of robuuster kon worden gemaakt.

"In elke ontwikkelingsfase we waren ons actief bewust van de budgetten voor massa, grootte en kracht, " zei Villar. "Door het ontwerp te herhalen door middel van snelle prototyping en testen, kwamen we tot een robuust, pakket met kleine vormfactor voor alle standaardcomponenten die nodig zijn voor een verstrengelde foton-paarbron."

De nieuwe geminiaturiseerde fotonpaarbron bestaat uit een blauwe laserdiode die op niet-lineaire kristallen schijnt om paren fotonen te creëren. Het bereiken van verstrengeling van hoge kwaliteit vereiste een volledig herontwerp van de houders die de niet-lineaire kristallen met hoge precisie en stabiliteit uitlijnen.

Lancering in een baan

De onderzoekers kwalificeerden hun nieuwe instrument voor de ruimte door te testen of het bestand is tegen de trillingen en thermische veranderingen die worden ervaren tijdens een raketlancering en in de ruimte. De foton-paarbron behield de verstrengeling van zeer hoge kwaliteit tijdens het testen, en kristaluitlijning bleef behouden, zelfs na herhaalde temperatuurcycli van -10 ° C tot 40 ° C.

De onderzoekers verwerkten hun nieuwe instrument in SpooQy-1, een CubeSat die op 17 juni 2019 vanuit het internationale ruimtestation ISS in een baan om de aarde werd gebracht. Het instrument genereerde met succes verstrengelde fotonparen bij temperaturen van 16 °C tot 21,5 °C.

"Deze demonstratie toonde aan dat geminiaturiseerde verstrengelingstechnologie goed kan werken en weinig stroom verbruikt, "Zei Villar. "Dit is een belangrijke stap in de richting van een kosteneffectieve benadering van de inzet van satellietconstellaties die wereldwijde kwantumnetwerken kunnen dienen." Het project werd gefinancierd door de National Research Foundation van Singapore.

De onderzoekers werken nu samen met RALSpace in het VK aan het ontwerpen en bouwen van een kwantum nanosatelliet vergelijkbaar met SpooQy-1 met de mogelijkheden die nodig zijn om verstrengelde fotonen vanuit de ruimte naar een grondontvanger te stralen. Dit is gepland voor demonstratie aan boord van een missie in 2022. Ze werken ook samen met andere teams om het vermogen van CubeSats om kwantumnetwerken te ondersteunen, te verbeteren.