全球量子通信网络：在立方卫星轨道上产生量子纠缠源

立方卫星，英语：CubeSat，又译为正方体卫星，是一种用于太空研究的小型卫星，立方卫星是一种标准型的纳米卫星，由10厘米×10厘米×10厘米的立方单位体的倍数制成。至今已发射超过1千枚立方卫星。

在创建全球量子通信网络的关键步骤中，研究人员已经在小于2.6公斤、绕地球运行的立方卫星上产生并检测了量子纠缠。

新加坡国立大学量子技术中心阿尼特·比利亚尔说：“将来，我们的系统可能成为将量子信号传输到地球或其他航天器上的接收器的全球量子网络的一部分。” “这些信号可以用于实现任何类型的量子通信应用，从用于极其安全的数据传输的量子密钥分发到量子远距传输，其中通过从远处复制量子系统的状态来传输信息。”

该最新研究成果论文发表在光学协会（OSA）的高影响力研究期刊《光学》（Optica）杂志上。研究小组证明，他们的微型量子纠缠源可以在空间小的、成本效益高、体积小的立方卫星上成功运行。

比利亚尔说：“太空基础的全球量子网络的发展正在迅速发展。” “我们希望我们的工作能激发下一波空间基础量子技术的使命，并希望新的应用和技术能够从我们的实验结果中受益。”

最小化量子纠缠

被称为纠缠的量子力学现象对于许多量子通信应用至关重要。但是，由于长距离会发生光损耗，因此无法为光纤创建用于纠缠分布的全局网络。在太空中为小型标准化卫星配备量子仪器是一种以经济有效的方式应对这一挑战的方法。

第一步，研究人员需要证明，用于量子纠缠的微型光子源可以通过发射应力保持完好无损，并且可以在卫星内能提供最小能量的恶劣环境中成功运行。为了实现这一目标，他们详尽地检查了用于产生量子纠缠的光子对源的每个组件，看是否可以做得更小或更坚固。

如图所示型号为SpooQy-1的立方卫星包含一个小型量子仪器，该仪器创建具有纠缠量子性质的成对光子。在光子极化的相关性中检测到纠缠。

比利亚尔说：“在发展的每个阶段，我们都积极意识到质量、规模和力量的预算。” “通过快速的原型制作和测试来迭代设计，我们为纠缠光子对光源所需的所有现成组件提供了一个强大的小型封装。”

新的小型化光子对源由一个蓝色激光二极管组成，该二极管照射在非线性晶体上以创建成对的光子。要实现高质量的纠缠，需要对支架进行完整的重新设计，以使非线性晶体具有高精度和高稳定性。

发射入轨道

研究人员通过测试其承受火箭发射和太空操作过程中经历的振动和热变化的能力，对他们的新仪器进行了太空验证。在整个测试过程中，光子对源始终保持非常高的质量纠缠，即使在从-10°C到40°C的反复温度循环之后，晶体取向也得以保留。

研究人员将他们的新仪器整合到了SpooQy-1立方卫星中，于2019年从国际空间站部署到轨道。该仪器在16°C至21.5°C的温度范围内成功产生了纠缠的光子对。

研究人员说：“该研究表明，小型纠缠技术可以很好地工作，而消耗的功率却很少。” “这是朝着以经济有效的方式部署可为全球量子网络服务的卫星星座迈出的重要一步。”