Поскольку стоимость спутника зависит от его размеров, наиболее рентабельны самые маленькие спутники. Рассмотрим миниатюрный запутанный поляризацией источник фотонных пар, работающий на борту наноспутника.
Ученые смогли создать источник фотонных пар для наноспутников CubeSat и испытали его в условиях открытого космоса. Разработка позволит создать сети для передачи квантовой защищенной информации в космосе.
Результат нового эксперимента на орбите с использованием микроспутника CubeSats открывает путь для массового тестирование различных спутниковых квантовых протоколов связи.
На борту микроспутника CubeSat ученые создали пары запутанных частиц света, которые можно использовать для передачи данных в системах защищенной квантовой связи. Результаты первых опытов с этим аппаратом опубликовал научный журнал Optica.
Исследователи показали, что их миниатюрный источник квантовой запутанности может успешно работать в космосе на борту спутника CubeSat, который представляет собой куб с длиной грани 10 сантиметров. Ученые тщательно проанализировали каждый компонент источника фотонных пар, используемого для создания квантовой запутанности, чтобы увидеть, можно ли уменьшить каждый из них.
Новый миниатюрный источник фотонных пар состоит из синего лазерного диода. Лазерный луч в приборе направляется на нелинейные кристаллы для создания пар фотонов. Чтобы сделать это, исследователи полностью перестроили крепления, которые выравнивают нелинейные кристаллы. Это позволило увеличить их точность и стабильность. Затем ученые проверили, сможет ли их прибор выдерживать вибрационные и тепловые изменения, которые наблюдаются во время запуска ракеты и ее пребывания в космосе.
Авторы показали, что источник фотонных пар поддерживает очень высокое качество измерений и генерации квантовой запутанности на протяжении всего испытания. Прибор протестировали на борту запущенного в 2019 году микроспутника SpooQy-1 при температурах от 16 до 21,5 °C. Выравнивание кристаллов сохранялось даже после повторного температурного цикла при нагреве от -10 до 40°C. Теперь исследователи планируют создать нескольких похожих спутников, вывести их на орбиту в 2022 году и попробовать передать между ними квантовую информацию.
Одна из главных проблем в работе современных систем квантовой связи заключается в том, что свет при движении через оптоволокно постепенно угасает. Поэтому при использовании наземных систем передачи данных расстояние между узлами квантовых сетей обычно составляет несколько сотен километров.
«Миниатюризированные системы запутывания частиц могут хорошо работать в космосе, потребляя при этом минимум энергии. Успех нашего аппарата SpooQy-1 стал важным шагом на пути создания флотилий из спутников, которые будут обслуживать глобальный квантовый интернет», – рассказал один из авторов работы, физик из Национального университета Сингапура Эйтор Виллар.
Физики пытаются решить эту проблему двумя путями. С одной стороны, ее можно обойти за счет так называемых повторителей квантовых сигналов. Эти устройства могут считывать поступающие в них квантовые сигналы, усиливать их и отправлять адресату, не нарушая целостности данных.
С другой стороны, повысить дальность передачи квантовой информации можно, обмениваясь данными не через наземные оптоволоконные кабели, а через спутники связи. В частности, еще в сентябре 2016 года китайские ученые под руководством профессора Шанхайского университета (Китай) Цзянь-Вэй Паня запустили подобный аппарат –орбитальный зонд «Мо-Цзы». Кроме того, они успешно использовали его для первых «межконтинентальных» сессий передачи квантовой информации.
Создание квантового интернета
Проблема, как отмечает Виллар, заключается в том, что "Мо-Цзы" и другие строящиеся аппараты такого рода достаточно велики, дороги и потребляют слишком много энергии. Из-за этого их нельзя быстро и массово выводить в космос для создания квантовой сети, аналогичной обычному интернету.
Сингапурские физики уже четыре года пытаются решить эту проблему, создавая набор лазеров и других оптических компонентов, необходимых для формирования пар запутанных фотонов. При разработке этой системы они отдавали приоритет компактности, а также способности работать в космосе.
Первый прототип подобной системы, как говорят ученые, успешно проверили на борту микроспутника SpooQy-1. На МКС его в апреле прошлого года доставил грузовой корабль Cygnus, а в июне 2019 года спутник вывели в космос. Помимо источника запутанных частиц и набора фотодатчиков на спутнике есть система связи, с помощью которой ученые контролировали эксперименты.
Как показали последующие наблюдения, SpooQy-1 успешно вырабатывал пары запутанных частиц, несмотря на тяжелые условия работы и нагрузки, которые его оптические компоненты пережили во время взлета корабля и самостоятельных движений микроспутника по орбите вокруг Земли.
Сейчас сингапурские ученые и британская корпорация RAL Space работают над созданием новой версии квантовых микрозондов. Она будет оснащена лазерами и приемниками оптического сигнала, которые позволят «наследнику» SpooQy-1 обмениваться парами запутанных фотонов с наземными станциями или другими космическими аппаратами. Первый запуск подобного зонда намечен на 2022 год, отмечают ученые.
