立方衛(wèi)星，英語：CubeSat，又譯為正方體衛(wèi)星，是一種用于太空研究的小型衛(wèi)星，立方衛(wèi)星是一種標(biāo)準(zhǔn)型的納米衛(wèi)星，由10厘米×10厘米×10厘米的立方單位體的倍數(shù)制成。至今已發(fā)射超過1千枚立方衛(wèi)星。

在創(chuàng)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵步驟中，研究人員已經(jīng)在小于2.6公斤、繞地球運(yùn)行的立方衛(wèi)星上產(chǎn)生并檢測了量子糾纏。

新加坡國立大學(xué)量子技術(shù)中心阿尼特·比利亞爾說：“將來，我們的系統(tǒng)可能成為將量子信號傳輸?shù)降厍蚧蚱渌教炱魃系?a target="_blank">接收器的全球量子網(wǎng)絡(luò)的一部分。” “這些信號可以用于實(shí)現(xiàn)任何類型的量子通信應(yīng)用，從用于極其安全的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧孔用荑€分發(fā)到量子遠(yuǎn)距傳輸，其中通過從遠(yuǎn)處復(fù)制量子系統(tǒng)的狀態(tài)來傳輸信息。”

該最新研究成果論文發(fā)表在光學(xué)協(xié)會（OSA）的高影響力研究期刊《光學(xué)》（Optica）雜志上。研究小組證明，他們的微型量子糾纏源可以在空間小的、成本效益高、體積小的立方衛(wèi)星上成功運(yùn)行。

比利亞爾說：“太空基礎(chǔ)的全球量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展正在迅速發(fā)展。” “我們希望我們的工作能激發(fā)下一波空間基礎(chǔ)量子技術(shù)的使命，并希望新的應(yīng)用和技術(shù)能夠從我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中受益。”

最小化量子糾纏

被稱為糾纏的量子力學(xué)現(xiàn)象對于許多量子通信應(yīng)用至關(guān)重要。但是，由于長距離會發(fā)生光損耗，因此無法為光纖創(chuàng)建用于糾纏分布的全局網(wǎng)絡(luò)。在太空中為小型標(biāo)準(zhǔn)化衛(wèi)星配備量子儀器是一種以經(jīng)濟(jì)有效的方式應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的方法。

第一步，研究人員需要證明，用于量子糾纏的微型光子源可以通過發(fā)射應(yīng)力保持完好無損，并且可以在衛(wèi)星內(nèi)能提供最小能量的惡劣環(huán)境中成功運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們詳盡地檢查了用于產(chǎn)生量子糾纏的光子對源的每個組件，看是否可以做得更小或更堅(jiān)固。

如圖所示型號為SpooQy-1的立方衛(wèi)星包含一個小型量子儀器，該儀器創(chuàng)建具有糾纏量子性質(zhì)的成對光子。在光子極化的相關(guān)性中檢測到糾纏。

比利亞爾說：“在發(fā)展的每個階段，我們都積極意識到質(zhì)量、規(guī)模和力量的預(yù)算。” “通過快速的原型制作和測試來迭代設(shè)計(jì)，我們?yōu)榧m纏光子對光源所需的所有現(xiàn)成組件提供了一個強(qiáng)大的小型封裝。”

新的小型化光子對源由一個藍(lán)色激光二極管組成，該二極管照射在非線性晶體上以創(chuàng)建成對的光子。要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的糾纏，需要對支架進(jìn)行完整的重新設(shè)計(jì)，以使非線性晶體具有高精度和高穩(wěn)定性。

發(fā)射入軌道

研究人員通過測試其承受火箭發(fā)射和太空操作過程中經(jīng)歷的振動和熱變化的能力，對他們的新儀器進(jìn)行了太空驗(yàn)證。在整個測試過程中，光子對源始終保持非常高的質(zhì)量糾纏，即使在從-10°C到40°C的反復(fù)溫度循環(huán)之后，晶體取向也得以保留。

研究人員將他們的新儀器整合到了SpooQy-1立方衛(wèi)星中，于2019年從國際空間站部署到軌道。該儀器在16°C至21.5°C的溫度范圍內(nèi)成功產(chǎn)生了糾纏的光子對。

研究人員說：“該研究表明，小型糾纏技術(shù)可以很好地工作，而消耗的功率卻很少。” “這是朝著以經(jīng)濟(jì)有效的方式部署可為全球量子網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的衛(wèi)星星座邁出的重要一步。”