Uzay istasyonu ‘kendi kendini iyileştiren’ kuantum iletişim teknolojisi demosuna ev sahipliği yapacak

Bu yıl içinde Uluslararası Uzay İstasyonuna yapılacak küçük bir deney, gelecekteki bir küresel kuantum ağı için zemin hazırlayabilir. Uzay Dolaşması ve Tavlama Kuantum Deneyi (veya SEAQUE) olarak adlandırılan süt kartonu boyutundaki teknoloji gösterimi, uzayın zorlu ortamında iki iletişim teknolojisini test edecek.

Kuantum bilgisayarlar, geleneksel bilgisayarlardan milyonlarca kat daha hızlı çalışma vaadini taşır ve dağıtılmış kuantum sensörleri, yerçekimindeki dakika değişikliklerini ölçerek Dünya’nın ve evrendeki yerimizin yeni anlayışlarına yol açabilir. Ancak kuantum bilgisayarların veya kuantum sensörlerinin iletişim kurması için özel bir iletişim ağı gerekir. Bu ağın önemli bir bileşeni, kuantum verilerini serbest uzay optik iletişimleri yoluyla yerden alıp gönderebilen uzay “düğümleri” olacaktır.

SEAQUE, yörüngedeki düğümlerin kuantum vericileri ve alıcıları çok uzak mesafelerde güvenli bir şekilde bağlamasını sağlayabilecek teknolojilerin uygulanabilirliğini kanıtlamak için yola çıktı. Bunu yapmak için, bu düğümlerin birbirine dolanmış foton çiftleri üretmesi ve algılaması gerekecek. Sonunda, bu tür fotonları yerdeki kuantum bilgisayarlara iletmek, kuantum bulut bilişiminin temelini sağlayabilir – bilgisayarların nerede olduğuna bakılmaksızın kuantum verilerini değiş tokuş etme ve işleme araçları.

SEAQUE, uzay istasyonunun dışına takıldıktan sonra, uzay tabanlı düğümlerin radyasyon hasarından “kendi kendini iyileştirmesine” yardımcı olacak bir tekniği de test edecek; bu, uzayda hassas enstrümanları korumanın sürekli bir zorluğu.

NASA’nın Güney Kaliforniya’daki Jet Propulsion Laboratuvarı’nda SEAQUE ortak araştırmacısı Makan Mohageg, “Bu iki teknolojinin gösterilmesi, yüzlerce hatta binlerce mil uzakta bulunan kuantum bilgisayarları birbirine bağlayabilen gelecekteki küresel kuantum ağlarının temelini oluşturuyor” dedi.

Etkinleştirmeyi amaçladığı ağ gibi, proje de küreseldir. SEAQUE işbirliği, projeye liderlik eden Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign’den bilim adamları ve öğrencileri; Ontario, Kanada’daki Waterloo Üniversitesi; Singapur Ulusal Üniversitesi; Montana merkezli endüstriyel ortak AdvR, Inc.; Teksas merkezli ticari uzay sistemleri sağlayıcısı Nanoracks; ve JPL.

Dolaşma gücü

Dolanık foton çiftleri o kadar yakından bağlantılıdır ki, birbirlerinden çok uzak olsalar bile, birini ölçmek diğerini ölçmenin sonuçlarını hemen etkiler. Bu, kuantum mekanik sistemlerin temel bir özelliğidir. SEAQUE’nin dolaşık foton kaynağı, yüksek enerjili fotonları birbirine dolanmış “kız” foton çiftlerine böler. Bu yavru fotonlar daha sonra sayılır ve kuantum özellikleri cihazın dahili dedektörleri tarafından ölçülür.

Diğer uzay temelli kuantum deneyleri, dolaşık fotonlar üretmek için toplu optiğe (ışığı özel bir kristale odaklayan) bağlıyken, SEAQUE bir dalga kılavuzu kullanan entegre bir dolaşık foton kaynağına dayanır – uzay aracı için bir ilk. Bir dalga kılavuzu, fotonlar için bir otoban gibi davranan, iletimlerini kuantum durumunda çok az kayıpla yönlendiren mikroskobik bir yapıdır.

Projenin Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign’deki baş araştırmacısı Paul Kwiat, “SEAQUE, entegre optiklere dayalı yeni ve daha önce hiç uçulmamış bir dolaşıklık kaynağı gösterecek” dedi. “Böyle bir kaynak, önceki uzay deneylerinde kullanılan toplu optik dolaşıklık kaynaklarından doğal olarak çok daha küçük, daha sağlam ve foton çiftleri üretmede daha verimli.”

Örneğin, bu toplu optikler, fırlatma sırasında sallandıktan sonra yerdeki bir operatör tarafından hassas optik yeniden hizalama gerektirdiğinde, SEAQUE’nin optikleri olmayacaktır.

“Farklı kıtalarda yüzlerce kuantum yer istasyonunu birbirine bağlayan küresel bir kuantum ağı kuruyorsanız, kaynakları optik hizalamada her bir düğümde tutan döngüde bir kişiye sahip olmayı göze alamazsınız” dedi. Mohageg. “Bir SEAQUE’nin uçacağı gibi monolitik bir dalga kılavuzu tabanlı kaynak, ölçeklenebilir, küresel bir kuantum bilgi ağına doğru büyük bir ilerleme olacaktır.”

lazer iyileşmesi

SEAQUE, radyasyondan kaynaklanan hasarı da onarabileceğini kanıtlarsa, teknoloji gösteriminin güvenilirliği başka bir destek alabilir.

Kuantum iletişim düğümleri, Dünya yüzeyinden tek fotonlu kuantum sinyallerini almak için oldukça hassas dedektörler gerektirecektir. Uzaydan gelen yüksek enerjili parçacıklar veya radyasyon, düğümlerin dedektörlerine çarptığında, zamanla kusurlar yaratacaktır. Bu kusurlar, kendilerini bir dedektörün çıkışında “karanlık sayımlar” olarak gösterebilir ve sonunda zeminden gelen herhangi bir kuantum sinyalini bastıracak gürültü yaratır. Kontrolsüz bırakılırsa, uzay radyasyonu nihayetinde bu tür dedektörleri o kadar bozar ki, düzenli olarak değiştirilmeleri gerekecek ve küresel bir kuantum iletişim ağının yaşayabilirliğini engelleyecektir.

Dünya’dan gelen sinyalleri algılamak bu teknoloji gösteriminin kapsamı dışında olsa da, SEAQUE, dolaşıklık kaynağı tarafından üretilen fotonları saymak için dedektör dizisini kullanacak. Ve SEAQUE, dedektör dizisinin sayısını etkileyecek radyasyon kaynaklı hasarı periyodik olarak onarmak için parlak bir lazer kullanacak – bir başka ilk.

“Yerdeki testlerde, bu tekniğin kafesteki kusurların ‘köpürmesine’ neden olduğunu – tavlama olarak bilinen bir süreç – böylece dedektör gürültüsünü azalttığını ve potansiyel olarak uzaydaki kuantum düğümlerinin ömrünü uzattığını ve sağlam bir küresel kolaylaştırdığını bulduk. ağ,” dedi Kwiat.

SEAQUE, Nanoracks’ın sahibi olduğu ve işlettiği Piskopos hava kilidi tarafından uzay istasyonunda barındırılacak. Nanoracks ayrıca görev operasyon hizmetlerini sağlıyor ve fırlatma hizmetlerini koordine ediyor. SEAQUE için entegre optik dolaşık foton kaynağı AdvR, Inc. tarafından geliştirilmiştir.