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)星是一種標準型的納米衛(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)建全球量子通信網絡的關鍵步驟中，研究人員已經在小于2.6公斤、繞地球運行的立方衛(wèi)星上產生并檢測了量子糾纏。

新加坡國立大學量子技術中心阿尼特·比利亞爾說：“將來，我們的系統可能成為將量子信號傳輸到地球或其他航天器上的接收器的全球量子網絡的一部分?！?“這些信號可以用于實現任何類型的量子通信應用，從用于極其安全的數據傳輸的量子密鑰分發(fā)到量子遠距傳輸，其中通過從遠處復制量子系統的狀態(tài)來傳輸信息?！?/p>

該最新研究成果論文發(fā)表在光學協會（OSA）的高影響力研究期刊《光學》（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)星上成功運行。

比利亞爾說：“太空基礎的全球量子網絡的發(fā)展正在迅速發(fā)展?！?“我們希望我們的工作能激發(fā)下一波空間基礎量子技術的使命，并希望新的應用和技術能夠從我們的實驗結果中受益?！?/p>

最小化量子糾纏

被稱為糾纏的量子力學現象對于許多量子通信應用至關重要。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絡。在太空中為小型標準化衛(wèi)星配備量子儀器是一種以經濟有效的方式應對這一挑戰(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)射應力保持完好無損，并且可以在衛(wèi)星內能提供最小能量的惡劣環(huán)境中成功運行。為了實現這一目標，他們詳盡地檢查了用于產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的成對光子。在光子極化的相關性中檢測到糾纏。

比利亞爾說：“在發(fā)展的每個階段，我們都積極意識到質量、規(guī)模和力量的預算?！?“通過快速的原型制作和測試來迭代設計，我們?yōu)榧m纏光子對光源所需的所有現成組件提供了一個強大的小型封裝?！?/p>

新的小型化光子對源由一個藍色激光二極管組成，該二極管照射在非線性晶體上以創(chuàng)建成對的光子。要實現高質量的糾纏，需要對支架進行完整的重新設計，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歷的振動和熱變化的能力，對他們的新儀器進行了太空驗證。在整個測試過程中，光子對源始終保持非常高的質量糾纏，即使在從-10°C到40°C的反復溫度循環(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的溫度范圍內成功產生了糾纏的光子對。

研究人員說：“該研究表明，小型糾纏技術可以很好地工作，而消耗的功率卻很少?！?“這是朝著以經濟有效的方式部署可為全球量子網絡服務的衛(wèi)星星座邁出的重要一步?！?/p>