In un passaggio fondamentale verso la creazione di una rete di comunicazione quantistica globale, i ricercatori hanno generato e rilevato l'entanglement quantistico a bordo di un nanosatellite CubeSat di peso inferiore a 2,6 chilogrammi e in orbita attorno alla Terra.

"Nel futuro, il nostro sistema potrebbe far parte di una rete quantistica globale che trasmette segnali quantistici a ricevitori sulla Terra o su altri veicoli spaziali, " ha affermato l'autore principale Aitor Villar del Center for Quantum Technologies presso l'Università Nazionale di Singapore. "Questi segnali potrebbero essere utilizzati per implementare qualsiasi tipo di applicazione di comunicazione quantistica, dalla distribuzione di chiavi quantistiche per una trasmissione dati estremamente sicura al teletrasporto quantistico, dove le informazioni vengono trasferite replicando lo stato di un sistema quantistico a distanza."

In ottica , La rivista della Optical Society (OSA) per la ricerca ad alto impatto, Villar e un gruppo internazionale di ricercatori dimostrano che la loro fonte miniaturizzata di entanglement quantistico può operare con successo nello spazio a bordo di una nave a bassa risorsa, CubeSat conveniente che è più piccolo di una scatola da scarpe. I CubeSat sono un tipo standard di nanosatellite composto da multipli di unità cubiche di 10 cm × 10 cm × 10 cm.

"Il progresso verso una rete quantistica globale basata sullo spazio sta avvenendo a un ritmo veloce, " ha detto Villar. "Speriamo che il nostro lavoro ispiri la prossima ondata di missioni di tecnologia quantistica nello spazio e che nuove applicazioni e tecnologie possano beneficiare dei nostri risultati sperimentali".

Miniaturizzazione dell'entanglement quantistico

Il fenomeno della meccanica quantistica noto come entanglement è essenziale per molte applicazioni di comunicazione quantistica. Però, creare una rete globale per la distribuzione dell'entanglement non è possibile con le fibre ottiche a causa delle perdite ottiche che si verificano su lunghe distanze. Equipaggiamento piccolo, satelliti standardizzati nello spazio con strumentazione quantistica è un modo per affrontare questa sfida in modo economico.

Come primo passo, i ricercatori avevano bisogno di dimostrare che una sorgente di fotoni miniaturizzata per l'entanglement quantistico potrebbe rimanere intatta durante le sollecitazioni del lancio e operare con successo nel duro ambiente dello spazio all'interno di un satellite in grado di fornire energia minima. Per realizzare questo, hanno esaminato in modo esauriente ogni componente della sorgente della coppia di fotoni utilizzata per generare l'entanglement quantistico per vedere se poteva essere reso più piccolo o più robusto.

"In ogni fase dello sviluppo, eravamo attivamente consapevoli dei budget per la massa, dimensione e potenza, " ha detto Villar. "Reiterando il progetto attraverso la prototipazione rapida e il test, siamo arrivati ​​a un robusto, pacchetto con fattore di forma ridotto per tutti i componenti standard necessari per una sorgente di coppie di fotoni entangled."

La nuova sorgente miniaturizzata di coppie di fotoni è costituita da un diodo laser blu che brilla su cristalli non lineari per creare coppie di fotoni. Il raggiungimento di un entanglement di alta qualità ha richiesto una riprogettazione completa dei supporti che allineano i cristalli non lineari con elevata precisione e stabilità.

Lancio in orbita

I ricercatori hanno qualificato il loro nuovo strumento per lo spazio testando la sua capacità di resistere alle vibrazioni e ai cambiamenti termici sperimentati durante il lancio di un razzo e l'operazione nello spazio. La sorgente della coppia di fotoni ha mantenuto un entanglement di altissima qualità durante il test, e l'allineamento dei cristalli è stato preservato anche dopo ripetuti cicli di temperatura da -10 °C a 40 °C.

I ricercatori hanno incorporato il loro nuovo strumento in SpooQy-1, un CubeSat che è stato messo in orbita dalla Stazione Spaziale Internazionale il 17 giugno 2019. Lo strumento ha generato con successo coppie di fotoni entangled a temperature comprese tra 16 °C e 21,5 °C.

"Questa dimostrazione ha dimostrato che la tecnologia di entanglement miniaturizzata può funzionare bene consumando poca energia, " ha detto Villar. "Questo è un passo importante verso un approccio conveniente per la distribuzione di costellazioni satellitari che possono servire le reti quantistiche globali." Il progetto è stato finanziato dalla National Research Foundation di Singapore.

I ricercatori stanno ora lavorando con RALSpace nel Regno Unito per progettare e costruire un nanosatellite quantistico simile a SpooQy-1 con le capacità necessarie per trasmettere fotoni entangled dallo spazio a un ricevitore terrestre. Questo è previsto per la dimostrazione a bordo di una missione del 2022. Stanno anche collaborando con altri team per migliorare la capacità di CubeSats di supportare le reti quantistiche.