Квантовый фотонный процессор успешно протестирован в космосе
Ученые впервые смогли запустить программируемый квантовый фотонный процессор на околоземной орбите, что позволило ему обрабатывать квантовую информацию в космосе. Это значимый шаг к созданию спутников, способных анализировать данные дистанционного зондирования Земли непосредственно на месте и передавать на Землю только результаты. Препринт исследования доступен на arXiv.org. Об этом рассказывает N + 1.
Современные спутники дистанционного зондирования собирают огромные объемы данных, фиксируя изображения с высоким разрешением. Объем информации, которую они генерируют, продолжает расти, однако передача всех данных на Землю затруднена из-за низкой пропускной способности каналов связи и коротких временных окон для связи с наземными станциями. Это приводит к потере ценных наблюдений или задержкам в их получении. Поэтому ученые ищут способы обработки данных непосредственно на борту спутников, и одним из таких решений являются квантовые фотонные процессоры. Эти устройства компактны, требуют минимального энергопотребления и способны выполнять линейные оптические преобразования для гибридных алгоритмов. Однако фотоны могут терять свои квантовые свойства из-за вибраций, температурных колебаний, радиации и солнечного света, что ставило под сомнение их работоспособность в условиях космоса.
Исследователи из Венского университета под руководством Филипа Вальтера решили проверить, как квантовый процессор справится с условиями космоса. Они отправили устройство на наноспутник и вывели его на низкую околоземную орбиту на высоте около 510 километров. В этих условиях им удалось с высокой точностью наблюдать квантовую интерференцию.
Вся установка была размещена в наноспутнике формата 3U (10 × 10 × 30 сантиметров). Полезная нагрузка включала источник фотонов, программируемый чип и детекторы, весившие менее десяти килограмм и потреблявшие всего десять ватт. Пары одиночных фотонов генерировались с помощью нелинейного кристалла через спонтанное параметрическое рассеяние. Для получения фотонов на длине волны 810 нанометров кристалл облучался лазером с длиной волны 405 нанометров. Эти фотоны направлялись в стеклянный чип с шестью оптическими волноводами и пятнадцатью интерферометрами Маха — Цендера. Управление интерферометрами осуществлялось с помощью нагревателей, которые изменяли фазу одного из плеч, позволяя варьировать выходное состояние.
Чтобы проверить сохранение квантовой природы фотонов после испытаний, физики оценивали качество квантовой интерференции между двумя фотонами из пары. Для этого они сводили их на одном из светоделителей чипа и наблюдали провал Хонга — У — Манделя. Если фотоны неразличимы, то есть имеют одинаковую длину волны, поляризацию и приходят одновременно, они слипаются на светоделителе и выходят в одно из его плеч. Постепенно изменяя длину волны одного из фотонов и наблюдая совпадения между двумя плечами светоделителя, можно увидеть провал в зависимости, который указывает на параметры, при которых фотоны становятся неразличимыми.
В случае спонтанного параметрического рассеяния длину волны фотонов можно регулировать температурой кристалла. Авторам удалось зафиксировать четкий провал совпадений при температуре около 32,5 градуса Цельсия. Видимость интерференции составила 0,908, что значительно превышает классический предел в 0,5. Это подтверждает, что фотоны сохранили свои квантовые свойства, несмотря на условия в космосе.
Кроме проверки неразличимости, физики оценивали точность операций, которые чип способен выполнять с фотонами. Средняя точность по девяти унитарным преобразованиям составила 0,888, а без учета двух выбросов увеличивалась до 0,949. Это свидетельствует о том, что процессор способен с высокой точностью выполнять линейные оптические операции.
Однако не обошлось без трудностей: из шести детекторов после запуска функционировали только три. Солнечное излучение создавало сильный шум, и данные удавалось собирать только около 30 минут за 92-минутный виток. Радиация постепенно повреждала оборудование, а мощность лазера снижалась из-за газации клея в вакууме.
Несмотря на все сложности, эксперимент подтвердил, что квантовая интерференция и программируемая линейная оптика могут успешно функционировать в космосе. Исследователи планируют улучшить выявленные слабые места схемы и замкнуть цикл между сенсором, который передает данные, и процессором.
Квантовые фотонные процессоры оказались удобным инструментом для тестирования различных возможностей квантовых устройств благодаря своей стабильности и компактности. При этом сами процессоры не уступают аналогам — на фотонном вычислителе уже удалось продемонстрировать квантовое превосходство, смоделировать эффекты петлевой квантовой гравитации и показать, как их можно интегрировать с ионной платформой.
