Ученые впервые заставили программируемый квантовый фотонный процессор работать на околоземной орбите и обрабатывать квантовую информацию в космосе. Это важный шаг к созданию спутников, которые смогут анализировать данные дистанционного зондирования нашей планеты на месте и отправлять на Землю только результат. Препринт работы опубликован на сайте arXiv.org.
Это очень сложное для понимания исследование. Да, его тяжело читать даже в нашем пересказе, и чтобы понять эту статью на стыке физики, IT и космонавтики, надо обладать глубокой экспертизой в теме. Вы можете поделиться экспертизой и помочь другим — в Т-Образовании есть курсы для преподавателей. А если вы как раз думаете о том, какой путь выбрать для ребенка, первым шагом может стать Московская школа программистов.
Хотите увеличить сложность? Научим.
Современные спутники дистанционного зондирования Земли собирают огромные объемы данных. Их сенсоры фиксируют изображения с высоким разрешением, и объем такой информации растет с каждым годом. Передать все это на Землю оказывается невозможным: пропускная способность канала связи низкая, а временные окна для связи с наземными станциями короткие. Из-за этого часть ценных наблюдений пропадает или приходит с большой задержкой. Поэтому ученые исследуют варианты обработки данных прямо на борту. Один из таких вариантов — квантовые фотонные процессоры. Они компактны, потребляют мало энергии и могут выполнять линейные оптические преобразования для гибридных алгоритмов. С другой стороны, фотоны легко теряют свои квантовые свойства из-за вибраций при запуске, перепадов температур, радиации и солнечного света. Долгое время оставалось непонятным, выдержит ли такая хрупкая система условия космоса.
Ученые из Венского университета во главе с Филипом Вальтером (Philip Walther) решили проверить это на практике. Они отправили программируемый фотонный процессор на наноспутник и запустили его на низкую околоземную орбиту высотой около 510 километров. При этих условиях им удалось наблюдать квантовую интерференцию с высокой точностью.
Вся установка поместилась в наноспутник формата 3U (10 × 10 × 30 сантиметров). Полезная нагрузка включала в себя источник фотонов, программируемый чип и детекторы. Она весила меньше десяти килограмм и потребляла всего десять ватт. Пары одиночных фотонов генерировал нелинейный кристалл за счет спонтанного параметрического рассеяния. Чтобы получить фотоны на длине волны 810 нанометров, кристалл облучался лазером с длиной волны 405 нанометров. Эти фотоны попадали в стеклянный чип с шестью оптическими волноводами и пятнадцатью интерферометрами Маха — Цендера. Управлять интерферометрами можно было с помощью нагревателей — они меняли фазу одного из плеч и позволяли изменять выходное состояние.
Чтобы проверить, сохранится ли квантовая природа фотонов после всех 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 в одно и то же время — на светоделителе они слипаются и выходят оба в одно из его плеч. Тогда, если постепенно менять длину волны одного из фотонов и смотреть на совпадения между двумя плечами светоделителя (то есть когда фотоны вышли одновременно из обоих плеч), можно увидеть провал в этой зависимости. Именно точка провала показывает, при каких параметрах фотоны слипаются, то есть оказываются неразличимыми.
В случае спонтанного параметрического рассеяния управлять длиной волны фотонов можно с помощью температуры кристалла. Авторам удалось увидеть четкий провал совпадений при температуре около 32,5 градуса Цельсия. Видимость интерференции составила 0,908, что статистически превышает классический предел в 0,5. Это показывает, что фотоны остались квантово-неразличимыми, несмотря на условия космоса.
Помимо проверки неразличимости, физики смотрели на точность операций, которые чип может производить над фотонами. Средняя точность по девяти унитарным преобразованиям составила 0,888, а без учета двух выбросов поднималась до 0,949. Это означает, что процессор мог достаточно точно выполнять заданные линейные оптические операции.
Не обошлось и без проблем: из шести детекторов после запуска работали только три. Солнце создавало сильный шум, и данные удавалось собирать только около 30 минут за 92-минутный виток. Радиация постепенно портила оборудование, а мощность лазера падала из-за газации клея в вакууме.
Несмотря на все трудности, эксперимент доказал, что квантовая интерференция и программируемая линейная оптика могут работать в космосе. Авторы планируют усовершенствовать все обнаруженные слабые места схемы и замкнуть цикл между сенсором, который передает данные, и процессором.
Квантовые фотонные процессоры оказались очень удобным инструментов для тестирования разных возможностей квантовых устройств из-за своей стабильности и компактности. При этом сами процессоры не отстают от аналогов — на фотонном вычислителе уже удалось показать квантовое превосходство, симулировать эффекты петлевой квантовой гравитации и показать, как их можно объединить с ионной платформой.
Реклама: АНО ДПО «Т-Образование», ИНН 7743270426, erid: 2W5zFHnGA81