НАСА запускает новый эксперимент по квантовой запутанности в космосе

Исследователи проверят, может ли их технология производить и обнаруживать квантовую запутанность на Международной космической станции.

Отредактировано 2023-25-06
Квантовая запутанная система будет размещена на МКСКвантовая запутанная система будет размещена на внешней стороне МКС.

На этой неделе НАСА объявило о запуске мини-эксперимента по изучению квантовой запутанности в космосе в конце этого года. Миссия, названная Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment (или SEAQUE), должна проверить, смогут ли два запутанных фотона оставаться связанными друг с другом в космосе. Это странное свойство квантовой физики может в один прекрасный день соединить такие устройства, как телескопы и компьютеры, на частотах, передающих информацию с лучшим разрешением.

Проект представляет собой сотрудничество между исследовательскими институтами США, Канады и Сингапура, а также несколькими корпоративными партнерами. Все необходимое для системы поместится в контейнер размером с пакет молока на поверхности Международной космической станции.

Это сложная тема, поэтому давайте начнем с основ: Фотон - это основная единица света, которая может вести себя и как частица, и как волна. Между тем, запутанные фотоны будут вести себя так, как будто они связаны, независимо от физического расстояния между ними (это явление также известно как "жуткое действие на расстоянии"). Это означает, что даже если бы свойства каждого фотона измерялись независимо, их результаты все равно коррелировали бы, поскольку измерение одного фотона из запутанной пары повлияло бы на свойства другого фотона.

В чем же смысл такого рода исследований? Создание и поддержание такой запутанности может позволить разделенным на расстоянии квантовым системам на земле, таким как квантовые компьютеры или квантовые телескопы, передавать друг другу данные с высоким разрешением. Квантовая сеть может быть использована для безопасной связи, для удаленного программирования квантового компьютера и для распределенного зондирования.

"Наш проект - это ступенька к возможности соединения квантовых компьютеров, - говорит Пол Квиат, главный исследователь проекта SEAQUE из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн. Соединение двух квантовых компьютеров может также увеличить их вычислительную мощность. Вместо того чтобы иметь, например, два 100-кубитных компьютера, работающих независимо друг от друга, если эти компьютеры спутать друг с другом, они будут вести себя как один 200-кубитный компьютер".

Об этих кубитах: В отличие от классических компьютеров, которые кодируют информацию в двоичных битах, квантовые компьютеры могут кодировать информацию в кубитах, которые могут быть 0, 1 или - что удивительно - одновременно и тем, и другим. Это свойство, в теории, позволит квантовым компьютерам решать определенные задачи, такие как шифрование, моделирование квантовой системы или поиск в несортированной базе данных, лучше, чем классические компьютеры.

Но квантовые компьютеры очень хрупкие. Если они находятся в сотне миль друг от друга, но соединены оптическим волокном, трудно заставить квантовые сигналы пройти от одного к другому, потому что они теряются при прохождении через волокно. "Когда вы удаляетесь на достаточно большое расстояние, квантовые сигналы, по сути, не доходят", - говорит Квиат. А поскольку квантовые состояния не могут быть скопированы, инженеры не могут использовать усилители для сигналов. "Преимущество попытки замкнуть связь из космоса заключается в том, что интенсивность света в основном падает, и поэтому потери гораздо меньше при прохождении через свободное пространство, чем при попытке отправить сигнал через оптоволокно".

Цель проекта SEAQUE на МКС состоит из трех частей: создание запутанности, распространение запутанности и обнаружение запутанности.

Ранее запутанные фотоны создавались с помощью кристалла размером со скоросшиватель. Затем фотоны нужно было собирать и перестраивать в пространстве. SEAQUE собирается создать запутанность с помощью процесса, называемого спонтанным параметрическим преобразованием вниз, в котором один фотон проходит через нелинейный кристалл и производит два дочерних фотона с более низкой энергией. "Одна из вещей, которые мы делаем по-другому, заключается в том, что наш источник использует маленькую интегрированную оптику, волноводный чип, поэтому он намного меньше", - говорит Квиат. "Мы посылаем свет, а затем из него выходят фотоны, и мы просто поддерживаем стабильную температуру. На каждый родительский фотон, который вы посылаете, вы с большей вероятностью получите пару этих дочерних фотонов с магической запутанностью, чем в этих объемных кристаллах".

"Мы создаем их таким образом, что они коррелируют по некоторым своим свойствам. В нашем случае фотоны запутаны в своей поляризации", - добавляет Квят. "Поляризация - это направление колебаний, или направление колебаний света". Повседневным примером поляризованной системы являются 3D-очки для кино, где каждая линза видит свет, идущий в разных направлениях. "Как бы вы ни смотрели на [эти дочерние фотоны], между ними всегда есть корреляции", - говорит он. "Невозможно получить эти корреляции без квантовой системы".

В ограниченном эксперименте SEAQUE оба фотона будут созданы и обнаружены в одном и том же небольшом пакете в космосе. Для будущей квантовой связи потребуется добавить телескопы и какую-то систему наведения и отслеживания, чтобы можно было передавать один или оба фотона, отмечает Квиат.

При нынешней технологии квантовая память не может долго храниться на обычном флэш-накопителе, поэтому квантовую информацию необходимо передавать по каналу связи. В серии экспериментов, проведенных в Китае, это удалось сделать с помощью телескопов на земле и спутника в космосе.

"Они должны быть направлены друг на друга, зафиксированы и передавать квантовые сигналы. Чем больше телескопы, тем больше света вы можете собрать с их помощью, тем выше эффективность передачи сигнала с земли на спутник или со спутника на землю", - объясняет Квят. "Проект, которым мы сейчас занимаемся, не пытается этого сделать".

После создания этих двух фотонов последним шагом для SEAQUE является обнаружение, которое измеряет свойства фотонов. "Детектор должен быть способен видеть одиночные фотоны, а они чрезвычайно чувствительны, - говорит Квиат. При прохождении сигнала с Земли в космос происходит некоторая потеря фотонов, но все же эта потеря намного меньше, чем при прохождении сигнала через оптоволокно". "Хотя обнаружение сигналов с Земли выходит за рамки данной демонстрации технологии, SEAQUE будет использовать свой детекторный массив для подсчета фотонов, генерируемых источником запутывания", - говорится в пресс-релизе НАСА.

Поскольку фотоны ценны и ограничены, исследователям необходимо убедиться, что они смогут увидеть те, которые получат, что означает, что они должны отсечь любой шум, проходящий через детекторы.

"Обычные детекторы, которые используют люди, подвержены влиянию радиационного повреждения. В космосе вы получаете много радиации, и эта радиация создает дефекты в кристаллической решетке материала детектора (полупроводника или кремния), - говорит Квиат. Это вызывает шум, или темные отсчеты, которые заставляют детектор думать, что он обнаружил фотон, даже если ни один фотон не прошел через него. Эти дефекты могут накапливаться со временем, вызывая нарастающий шум, который в конечном итоге может заглушить квантовый сигнал. Если шума будет слишком много, квантовые системы, такие как квантовая криптография, станут незащищенными, а связи между квантовыми компьютерами будут разорваны.

На Земле, похоже, нашли решение этой проблемы. Дефекты от радиации не очень жестко закреплены в решетке, и если встряхнуть решетку, нагревая ее, то эти дефекты могут закрепиться, отмечает Квиат. Но чтобы сделать нагрев в космосе более экономичным, вместо того, чтобы помещать весь детектор в конструкцию, похожую на печь, они собираются использовать яркий лазер для точечного лечения этих дефектов. SEAQUE проверит, насколько эффективен этот метод лазерного отжига в космосе, где постоянно происходит радиационное повреждение. Лазерное лечение позволит продлить срок службы миссии, чтобы вся система оставалась жизнеспособной дольше.

Пока неясно, как эти дальние коммуникации в конечном итоге будут связаны с отдельным квантовым компьютером. Существует множество различных идей о том, как запутанные фотоны могут быть связаны с квантовыми устройствами, в основном потому, что существует множество идей о том, как вообще должен выглядеть квантовый компьютер.

Однако некоторые разрабатываемые квантовые технологии взаимодействуют с фотонами. Например, захваченные ионы, которые используются в экспериментальных системах Honeywell, испускают фотон при переходе из одного состояния в другое.

"Вы можете взять один из запутанных фотонов и попытаться установить его в атом, или вы можете интерферировать эти два фотона таким образом, чтобы передать запутанность, и тогда вы сможете запутать эти удаленные системы", - предлагает Квят. Google и IBM, с другой стороны, используют сверхпроводящие квантовые процессоры с кубитами (кубиты выглядят как искусственные атомы), которые общаются с микроволновыми фотонами. "Теперь вопрос в том, сможете ли вы преобразовать это в один из фотонов, которые мы пытаемся отправить [в космос]".

Микроволновые фотоны, поскольку они обладают такой низкой энергией, практически невозможно обнаружить в свободном пространстве. "Они были бы заглушены всеми шумами", - добавляет он. "Поэтому необходимо сделать некую трансдукцию, чтобы преобразовать микроволны в видимую длину волны или в телекоммуникационные длины волн".

Это сложная физическая и инженерная задача, над решением которой в настоящее время работают многие группы по всему миру. Но, возможно, в следующем десятилетии или около того исследователи смогут взять эти фотоны, преобразовать их в нужную частоту, которая сможет говорить с квантовым битом, будь то захваченный ион, нейтральный атом или сверхпроводящий кубит.

"Пройдет немало времени, прежде чем у нас появятся полезные связанные квантовые компьютеры, потому что у нас еще нет полезных квантовых компьютеров с коррекцией ошибок, у нас не работают преобразования", - говорит Квиат. "Каждый работает над своей частью головоломки".