Los investigadores desarrollaron una fuente miniaturizada de entrelazamiento cuántico que mide solo 20 por 10 centímetros. Crédito:Centro de Tecnologías Cuánticas, Universidad Nacional de Singapur
En un paso crítico hacia la creación de una red global de comunicaciones cuánticas, Los investigadores han generado y detectado un entrelazamiento cuántico a bordo de un nanosatélite CubeSat que pesa menos de 2,6 kilogramos y orbita la Tierra.
"En el futuro, nuestro sistema podría ser parte de una red cuántica global que transmite señales cuánticas a receptores en la Tierra o en otras naves espaciales, ", dijo el autor principal, Aitor Villar, del Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Nacional de Singapur." Estas señales podrían usarse para implementar cualquier tipo de aplicación de comunicaciones cuánticas, desde la distribución de claves cuánticas para una transmisión de datos extremadamente segura hasta la teletransportación cuántica, donde la información se transfiere replicando el estado de un sistema cuántico a distancia ".
En Optica , La revista de la Optical Society (OSA) para investigaciones de alto impacto, Villar y un grupo internacional de investigadores demuestran que su fuente miniaturizada de entrelazamiento cuántico puede operar con éxito en el espacio a bordo de un vehículo de bajos recursos, CubeSat rentable que es más pequeño que una caja de zapatos. Los CubeSats son un tipo estándar de nanosatélite formado por múltiplos de unidades cúbicas de 10 cm × 10 cm × 10 cm.
"El progreso hacia una red cuántica global basada en el espacio se está produciendo a un ritmo rápido, ", dijo Villar." Esperamos que nuestro trabajo inspire la próxima ola de misiones de tecnología cuántica basadas en el espacio y que las nuevas aplicaciones y tecnologías puedan beneficiarse de nuestros hallazgos experimentales ".
Miniaturizar el entrelazamiento cuántico
El fenómeno de la mecánica cuántica conocido como entrelazamiento es esencial para muchas aplicaciones de comunicaciones cuánticas. Sin embargo, La creación de una red global para la distribución de entrelazados no es posible con fibras ópticas debido a las pérdidas ópticas que se producen en largas distancias. Equipando pequeño, Los satélites estandarizados en el espacio con instrumentación cuántica es una forma de abordar este desafío de manera rentable.
Como primer paso, los investigadores necesitaban demostrar que una fuente de fotones miniaturizados para el entrelazamiento cuántico podría permanecer intacta a través de las tensiones del lanzamiento y operar con éxito en el duro entorno del espacio dentro de un satélite que puede proporcionar una energía mínima. Para lograr esto, examinaron exhaustivamente cada componente de la fuente de pares de fotones utilizada para generar entrelazamiento cuántico para ver si podía hacerse más pequeño o más resistente.
El SpooQy-1 CubeSat contiene un instrumento cuántico miniaturizado que crea pares de fotones con la propiedad cuántica del entrelazamiento. El entrelazamiento se detecta en correlaciones de las polarizaciones de los fotones. Crédito:Centro de Tecnologías Cuánticas, Universidad Nacional de Singapur y NASA
"En cada etapa de desarrollo, éramos conscientes de los presupuestos de masas, tamaño y potencia, ", dijo Villar." Al iterar el diseño a través de prototipos y pruebas rápidos, llegamos a un robusto, paquete de factor de forma pequeño para todos los componentes estándar necesarios para una fuente de pares de fotones entrelazados ".
La nueva fuente de pares de fotones miniaturizados consiste en un diodo láser azul que brilla sobre cristales no lineales para crear pares de fotones. Lograr un entrelazado de alta calidad requirió un rediseño completo de las monturas que alinean los cristales no lineales con alta precisión y estabilidad.
Lanzamiento en órbita
Los investigadores calificaron su nuevo instrumento para el espacio probando su capacidad para resistir la vibración y los cambios térmicos experimentados durante el lanzamiento de un cohete y la operación en el espacio. La fuente de pares de fotones mantuvo un entrelazamiento de muy alta calidad durante toda la prueba, y la alineación de los cristales se conservó incluso después de ciclos repetidos de temperatura de -10 ° C a 40 ° C.
Los investigadores incorporaron su nuevo instrumento en SpooQy-1, un CubeSat que se puso en órbita desde la Estación Espacial Internacional el 17 de junio de 2019. El instrumento generó con éxito pares de fotones entrelazados a temperaturas de 16 ° C a 21,5 ° C.
"Esta demostración demostró que la tecnología de entrelazado miniaturizado puede funcionar bien con un consumo mínimo de energía, ", dijo Villar." Este es un paso importante hacia un enfoque rentable para el despliegue de constelaciones de satélites que pueden servir a redes cuánticas globales ". El proyecto fue financiado por la Fundación Nacional de Investigación de Singapur.
Los investigadores ahora están trabajando con RALSpace en el Reino Unido para diseñar y construir un nanosatélite cuántico similar a SpooQy-1 con las capacidades necesarias para transmitir fotones entrelazados desde el espacio a un receptor terrestre. Esto está programado para una demostración a bordo de una misión en 2022. También están colaborando con otros equipos para mejorar la capacidad de CubeSats para admitir redes cuánticas.
