Ein winziges Experiment, das später in diesem Jahr zur Internationalen Raumstation gestartet wird, könnte die Voraussetzungen für ein zukünftiges globales Quantennetzwerk schaffen. Die milchtütengroße Technologiedemonstration mit dem Namen Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment (oder SEAQUE) wird zwei Kommunikationstechnologien in der rauen Umgebung des Weltraums testen.
Quantencomputer versprechen, millionenfach schneller zu arbeiten als herkömmliche Computer, und verteilte Quantensensoren könnten zu einem neuen Verständnis der Erde und unseres Platzes im Universum führen, indem sie winzige Änderungen der Schwerkraft messen. Aber damit Quantencomputer oder Quantensensoren kommunizieren können, benötigen sie ein dediziertes Kommunikationsnetzwerk. Eine Schlüsselkomponente dieses Netzwerks werden Weltraum-„Knoten“ sein, die Quantendaten über optische Freiraumkommunikation empfangen und vom Boden übertragen können.
SEAQUE will die Machbarkeit von Technologien beweisen, die es umlaufenden Knoten ermöglichen könnten, Quantensender und -empfänger über große Entfernungen sicher zu verbinden. Dazu müssen diese Knoten Paare verschränkter Photonen erzeugen und erkennen. Schließlich könnte die Übertragung solcher Photonen an Quantencomputer am Boden die Grundlage für Quanten-Cloud-Computing bilden – die Mittel zum Austausch und zur Verarbeitung von Quantendaten, unabhängig davon, wo sich die Computer befinden.
Sobald SEAQUE an der Außenseite der Raumstation befestigt ist, wird es auch eine Technik testen, die weltraumgestützten Knoten hilft, sich von Strahlenschäden „selbst zu heilen“, eine ständige Herausforderung bei der Aufrechterhaltung empfindlicher Instrumente im Weltraum.
„Die Demonstration dieser beiden Technologien bildet die Grundlage für zukünftige globale Quantennetzwerke, die Quantencomputer verbinden können, die Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern voneinander entfernt sind“, sagte Makan Mohageg, SEAQUE-Co-Forscher am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien.
Wie das Netzwerk, das es ermöglichen soll, ist das Projekt global. Die SEAQUE-Kollaboration umfasst Wissenschaftler und Studenten der University of Illinois Urbana-Champaign, die das Projekt leiten; die University of Waterloo in Ontario, Kanada; Nationale Universität von Singapur; der in Montana ansässige Industriepartner AdvR, Inc.; der in Texas ansässige Anbieter von kommerziellen Raumfahrtsystemen Nanoracks; und JPL.
Die Macht der Verstrickung
Paare verschränkter Photonen sind so eng miteinander verbunden, dass die Messung des einen die Ergebnisse der Messung des anderen sofort beeinflusst, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Dies ist eine grundlegende Eigenschaft quantenmechanischer Systeme. Die verschränkte Photonenquelle von SEAQUE spaltet hochenergetische Photonen in Paare verschränkter „Tochter“-Photonen. Diese Tochterphotonen werden dann gezählt und ihre Quanteneigenschaften werden von den internen Detektoren des Instruments gemessen.
Während andere weltraumgestützte Quantenexperimente zur Erzeugung verschränkter Photonen auf Bulk-Optiken (die Licht in einen speziellen Kristall fokussieren) angewiesen waren, verlässt sich SEAQUE auf eine integrierte Quelle verschränkter Photonen unter Verwendung eines Wellenleiters – eine Premiere für Raumfahrzeuge. Ein Wellenleiter ist eine mikroskopische Struktur, die wie eine Schnellstraße für Photonen wirkt und ihre Übertragung mit geringem Verlust des Quantenzustands lenkt.
„SEAQUE wird eine neue und nie zuvor geflogene Verschränkungsquelle demonstrieren, die auf integrierter Optik basiert“, sagte Paul Kwiat, der Hauptforscher des Projekts an der University of Illinois Urbana-Champaign. „Eine solche Quelle ist von Natur aus viel kleiner, robuster und effizienter bei der Erzeugung von Photonenpaaren als die optischen Verschränkungsquellen, die in früheren Weltraumexperimenten verwendet wurden.“
Wenn beispielsweise diese Massenoptiken eine heikle optische Neuausrichtung durch einen Bediener am Boden erfordern, nachdem sie während des Starts erschüttert wurden, ist dies bei den Optiken von SEAQUE nicht der Fall.
„Wenn Sie ein globales Quantennetzwerk aufbauen, das Hunderte von Quanten-Bodenstationen auf verschiedenen Kontinenten verbindet, können Sie es sich nicht leisten, eine Person in der Schleife zu haben, die die Quellen an jedem der Knoten in optischer Ausrichtung hält“, sagte er Mohageg. „Eine monolithische wellenleiterbasierte Quelle wie die, die SEAQUE fliegen wird, wird ein großer Fortschritt in Richtung eines skalierbaren, globalen Quanteninformationsnetzwerks sein.“
Laserheilung
Die Zuverlässigkeit der Technologiedemonstration könnte einen weiteren Schub erhalten, wenn SEAQUE beweist, dass es auch Schäden reparieren kann, die ihm durch Strahlung zugefügt wurden.
Quantenkommunikationsknoten erfordern hochempfindliche Detektoren, um die Einzelphotonen-Quantensignale von der Erdoberfläche zu empfangen. Wenn hochenergetische Partikel oder Strahlung aus dem Weltraum auf die Detektoren der Knoten treffen, werden sie im Laufe der Zeit Defekte erzeugen. Diese Defekte können sich als „Dunkelzählungen“ im Ausgang eines Detektors manifestieren und Rauschen erzeugen, das schließlich jedes Quantensignal vom Boden überwältigt. Wenn sie nicht kontrolliert wird, wird die Weltraumstrahlung solche Detektoren letztendlich so stark beeinträchtigen, dass sie regelmäßig ersetzt werden müssen, was die Lebensfähigkeit eines globalen Quantenkommunikationsnetzwerks beeinträchtigt.
Während die Erkennung von Signalen von der Erde den Rahmen dieser Technologiedemonstration sprengen würde, wird SEAQUE sein Detektorarray verwenden, um die von seiner Verschränkungsquelle erzeugten Photonen zu zählen. Und SEAQUE wird einen hellen Laser verwenden, um strahlungsinduzierte Schäden, die die Zählung des Detektorarrays beeinflussen, regelmäßig zu reparieren – eine weitere Premiere.
„In Tests vor Ort haben wir festgestellt, dass diese Technik dazu führt, dass die Defekte im Gitter ‚wegblasen‘ – ein Prozess, der als Glühen bezeichnet wird – wodurch das Detektorrauschen reduziert und möglicherweise die Lebensdauer von Quantenknoten im Weltraum verlängert wird, was eine robuste globale ermöglicht Netzwerk“, sagte Kwiat.
SEAQUE wird auf der Raumstation von der Bishop-Luftschleuse beherbergt, die Nanoracks gehört und von Nanoracks betrieben wird. Nanoracks stellt auch die Missionsbetriebsdienste bereit und koordiniert die Startdienste. Die integrierte optisch verschränkte Photonenquelle für SEAQUE wurde von AdvR, Inc. entwickelt.