美NASA计划将国际空间站用作国家空间量子实验室

美NASA计划将国际空间站用作国家空间量子实验室

据WIRED报道,今年夏天晚些时候,美国阿贡国家实验室(ANL)和费米国家实验室(Fermilab)的物理学家将在芝加哥郊区30英里长的光纤上交换量子信息。通过建立这种双向连接,研究人员希望实验室能够成为未来连接全美量子计算机的量子互联网的首个节点。

通过量子加密技术,量子网络可以实现超安全的数据传输。天文学家可以结合各个光学望远镜收集到的罕见星系间光子,创造一个分布式超视场(distributed superscope),从而对遥远的星系进行前所未有的详细研究。

通过连接小型量子计算机可以创建一个量子云,快速扩展计算能力。但量子信息很难实现远距离运输。利用光纤,在不到50英里的距离内,纠缠光子的量子态就会被环境干扰破坏掉。但如果通过卫星传输,这些光子可能被发送到数百英里甚至数千英里之外的目的地。为此,2018年,美国航空航天局(NASA)与麻省理工学院(MIT)林肯实验室合作开展了国家空间量子实验室(NSQL)项目(又称空间量子技术项目),开发实现这一目标所需的技术。项目旨在利用国际空间站(ISS)上的激光系统,在不需要物理连接的情况下,在地球上的两个设备之间交换量子信息。该模块将连接到空间站的外部,并将产生纠缠光子,从而将量子信息传送到地球。基于该项目演示,未来有可能实现一种卫星的研发,从而将在本地量子网络中产生的纠缠粒子送到地球上遥远的另一个地点。

NASA并不是第一个将量子技术带入太空的国家。2016年,中国发射了一颗卫星,将一对纠缠光子分别发送到相距700多英里的两个城市。这是就远距离量子密钥分配开展的一个关键测试,使用粒子以几乎不可能破解的方式加密信息。研究表明,纠缠粒子可以随机向两个地面站发送光子,并在到达时进行比较。如果两个光子同时到达,它们一定是纠缠在一起的。这是一次突破性演示,但麻省理工学院林肯实验室光通信技术小组负责人Scott Hamilton指出,“不能用它来创建量子网络,因为光子是随机到达的,并没有发送任何量子信息”。

NASA希望使用一种称为纠缠交换(entanglement swapping)的技术,将纠缠粒子携带的量子信息从地面的一个节点发送到另一个节点。这就要求能够以非常精确的时间发送纠缠光子,并在不破坏光子携带信息的情况下对其进行测量。

通常,纠缠光子是由单一光源产生的。一束激光射向一种特殊的晶体,两个相同的光子发射出来,一个留在发送者手中,另一个送到接收者手中。问题是纠缠光子在从发送者运输到接收者的过程中不能被放大(amplified),这就限制了它们在所携带的信息被破坏之前的传播距离。纠缠交换是将来自两个不同来源的光子纠缠在一起的技术,它允许光子在网络中从一个节点传递到另一个节点。在NASA系统中,一对纠缠光子由国际空间站产生,另一对纠缠光子由地球上的地面站产生。一个来自太空的光子和一个在地球上产生的光子被发送到一个量子装置,该装置执行贝尔测量,从而确定每个光子的状态。这种同时测量会导致来自它们各自配对的剩余光子(一个在太空中,另一个在地球上)变得纠缠。然后将太空中剩余的光子发送到地球上的另一个地面站,并重复这个过程。通过这种方式,就可以在两个没有物理链路的量子器件之间建立连接。这一技术的难点在于,纠缠交换要求来自太空和地球的光子同时到达地球上的测量系统;且光子需要能够以完美的精度击中小型接收器。为了实现这一目标,NASA需要一个非常好的太空激光器。

NASA计划于明年年初发射一颗激光通信中继示范(LCRD)卫星。在最初几年的轨道上,这颗新卫星将把激光通信从加利福尼亚的一个地面站传送到夏威夷的一个地面站,以研究天气如何影响激光通信。

长期而言,NASA设想将卫星从试验过渡到未来任务的数据中继,第一个计划预计是ILLUMA-T实验。ILLUMA-T是一个激光通信站,计划于2022年安装在国际空间站上,并将通过LCRD卫星将数据中继到地面,以在空间进行激光交叉链路试验。ILUMA-T和LCRD卫星将为空间光通信网络奠定基础,同时也将被用作试验台,以测试NASA量子通信计划所需的激光技术。

据悉,研究人员已经在建造一个可以连接到ILLUMA-T的量子系统的原型设备(tabletop prototype),用以演示地球上的纠缠交换,5年内就可以建成一个空间就绪版本。此外,NASA建造量子卫星链路的计划被称为“马可尼2.0”,计划在20世纪20年代中后期建立欧洲和北美之间的天基量子链路。预计NASA将在未来一两年内为其量子通信计划制定一个最终路线图。[新一代信息科技战略研究中心]

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