SEAQUE：将在国际空间站进行的“自修复”量子通信技术演示

今年晚些时候发射到国际空间站的一个微型实验可能为未来的全球量子网络奠定基础。这项名为 “空间纠缠退火量子实验”(SEAQUE)的牛奶盒大小的技术演示将在恶劣的太空环境中测试两种通信技术。

量子计算机有希望以比传统计算机快数百万倍的速度运行，而分布式量子传感器通过测量重力的微小变化，可能会带来对地球和我们在宇宙中位置的新认识。但是，为了让量子计算机或量子传感器进行通信，它们将需要一个专门的通信网络。这个网络的一个关键组成部分将是空间“节点”，它们可以通过自由空间的光通信接收和传输地面的量子数据。

SEAQUE旨在证明技术的可行性，这些技术可以使轨道上的节点安全地连接远距离的量子发射器和接收器。要做到这一点，这些节点将需要产生和检测一对纠缠的光子。最终，将这种光子传输到地面上的量子计算机可以为量子云计算提供基础--无论计算机位于何处，都可以交换和处理量子数据。

一旦连接到空间站的外部，SEAQUE还将测试一种技术，以帮助天基节点从辐射损伤中“自我修复”，这是在太空中维护精密仪器的一个持续挑战。

美国宇航局喷气推进实验室的SEAQUE联合研究员Makan Mohageg说：“展示这两项技术为未来的全球量子网络奠定了基础，这些网络可以连接相隔数百甚至数千英里的量子计算机。”

就像它要实现的网络一样，这个项目是全球性的。SEAQUE合作项目包括来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的科学家和学生，他们是项目的领导者；加拿大滑铁卢大学；新加坡国立大学；位于蒙大拿州的工业合作伙伴AdvR公司；位于德克萨斯州的商业空间系统供应商Nanoracks；以及JPL。

纠缠的力量

一对纠缠的光子是如此紧密地联系在一起，即使相隔很远，测量一个光子也会立即影响到测量另一个光子的结果。这是量子力学系统的一个基本特征。SEAQUE的纠缠光子源将高能光子分成一对纠缠的“子”光子。然后对这些子光子进行计数，其量子特性由仪器的内部探测器进行测量。

其他天基量子实验都是依靠体外光学（将光聚焦到一个特殊的晶体中）来产生纠缠光子，而SEAQUE则是依靠一个使用波导的纠缠光子集成源--这在航天器上是第一次。波导是一种微观结构，它就像光子的高速公路，在量子状态几乎没有损失的情况下引导其传输。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的该项目的主要研究人员 Paul Kwiat说：“SEAQUE将展示一种新的、从未飞行过的基于集成光学的纠缠源。与以前的空间实验中使用的散装光学纠缠源相比，这样的源本身要小得多，更坚固，更有效地产生光子对。”

例如，在发射过程中，那些散装光学器件在被摇晃后需要由地面上的操作员进行精细的光学重新调整，而SEAQUE的光学器件则不会。

Mohageg说：“如果你要建立一个全球量子网络，连接不同大洲的数百个量子地面站，你就不能让一个人在环路上保持每个节点上的源的光学对准。像SEAQUE公司将要飞行的那种基于波导的单片机源将是朝着可扩展的全球量子信息网络的巨大进步。”

如果SEAQUE证明它也能修复辐射造成的损害，那么该技术演示的可靠性将得到另一次提升。

量子通信节点将需要高度敏感的探测器来接收来自地球表面的单光子量子信号。当来自太空的高能粒子或辐射击中节点的探测器时，它们将随着时间的推移产生缺陷。这些缺陷会在探测器的输出中表现为 “暗计数”，产生噪音，最终会压倒来自地面的任何量子信号。如果不加以控制，空间辐射最终会使这些探测器严重退化，以至于需要定期更换，从而阻碍了全球量子通信网络的可行性。

虽然探测来自地球的信号超出了这项技术演示的范围，但SEAQUE将使用其探测器阵列来计算其纠缠源产生的光子。而且SEAQUE公司将使用一个明亮的激光器来定期修复辐射引起的损害，这些损害将影响探测器阵列的计数--这是另一个首次。

“在地面的测试中，我们发现这种技术会使晶格中的缺陷‘冒泡’--一个被称为‘退火’的过程--从而减少探测器的噪音，并有可能延长空间量子节点的寿命，促进一个强大的全球网络，”Kwiat说。

SEAQUE 将由 Nanoracks拥有和运营的Bishop 气闸托管在空间站上。Nanoracks 还提供任务操作服务和协调发射服务。SEAQUE 的集成光学纠缠光子源由 AdvR, Inc. 开发。该技术演示预计不早于 2022 年 8 月发射，由 NASA 科学任务理事会内的生物和物理科学部资助。