国际空间站将举办“自愈”量子通信技术演示

SEAQUE将在国际空间站由Nanoracks Bishop airlock主持。附在气闸侧边的蓝色和金色支架用于外部有效载荷。技术演示将安装在其中一个地点。图片来源：美国宇航局

今年晚些时候向国际空间站发射的一项小型实验可能为未来的全球量子网络奠定基础。这项名为“空间纠缠和退火量子实验”（简称SEAQUE）的牛奶盒尺寸技术演示将在恶劣的太空环境中测试两种通信技术。

量子计算机有望比传统计算机运行速度快数百万倍，而分布式量子传感器可能通过测量重力的微小变化，对地球和我们在宇宙中的位置产生新的认识。但是对于量子计算机或量子传感器来说，它们需要一个专用的通信网络。这个网络的一个关键组成部分将是空间”节点“它可以通过自由空间光通信在地面和地面之间接收和传输量子数据。

SEAQUE打算证明能够使轨道节点安全连接远距离量子发射器和接收器的技术的可行性。为此，这些节点将需要生成并检测纠缠光子。最终，将这些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，帮助天基节点从辐射损伤中“自我修复”，这是维护太空中精密仪器的持续挑战。

“展示这两种技术为未来全球量子网络奠定了基础，可以连接相距数百英里甚至数千英里的量子计算机，”美国宇航局南加州喷气推进实验室的SEAQUE联合研究员马肯·莫哈格说。

就像它打算启用的网络一样，这个项目是全球性的。SEAQUE合作项目包括伊利诺伊大学香槟分校的科学家和学生，他们正在领导这个项目；加拿大安大略省滑铁卢大学；新加坡国立大学；蒙大拿州工业合作伙伴AdvR公司。；位于德克萨斯州的商业航天系统供应商Nanoracks；还有JPL。

纠缠的力量

两对纠缠光子是如此紧密地连接在一起，以至于测量其中一个光子会立即影响到另一个光子的测量结果，即使是相隔很远的距离。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裂成两对纠缠的“子”光子。然后对这些子光子进行计数，并通过仪器的内部探测器测量它们的量子特性。

其他基于空间的量子实验依赖于体光学（将光聚焦到一个特殊的晶体中）来产生纠缠光子，而SEAQUE则依赖于一个集成的纠缠光子源波导管-这是宇宙飞船的第一次。波导管是一种微观结构，起着光子高速公路的作用，引导光子的传输而不损失量子态。

伊利诺伊大学香槟分校该项目的主要研究员保罗·奎亚特说：“SEAQUE将展示一种新的、从未飞行过的基于集成光学的纠缠源。”。这种光源比以前空间实验中使用的体光学纠缠源小得多，更坚固，产生光子对的效率也更高

例如，当那些大块光学元件在发射过程中受到震动后，需要地面操作人员进行精细的光学调整，SEAQUE的光学元件就不会。

“如果你要建立一个全球性的量子网络Mohageg说：“它连接了不同大陆上的数百个量子地面站，你不能让一个人在回路中保持每个节点的源处于光学对准状态。”一个单片波导源，像一个SEAQUE将要飞行，将是一个巨大的进步，向一个可扩展的，全球量子信息网络。"

激光治疗

如果SEAQUE公司证明它也能修复辐射对它造成的损害，那么这项技术演示的可靠性将再次得到提升。

量子通信节点需要高灵敏度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，它们会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”，产生的噪声最终会压倒地面上的任何量子信号。如果不加以控制，空间辐射最终会使这种探测器退化到需要定期更换的程度，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数。SEAQUE将使用明亮的激光定期修复辐射引起的损伤，这将首先影响探测器阵列的计数。

“在地面测试中，我们发现这种技术会导致晶格中的缺陷‘气泡消失’——这一过程被称为退火，从而降低探测器噪声，并有可能延长空间量子节点的寿命，从而促进一个强健的全球网络，”Kwiat说。

SEAQUE将在空间站由Bishop气闸室主持，由Nanoracks拥有和运营。Nanoracks还提供任务操作服务和协调发射服务。集成光学纠缠光子源是由AdvR公司研制的。