SEAQUE: Trạm vũ trụ tổ chức bản trình diễn công nghệ truyền thông lượng tử “tự chữa bệnh”

Thí nghiệm do NASA tài trợ sẽ kiểm tra hai công nghệ cuối cùng có thể cho phép các máy tính lượng tử giao tiếp với nhau bất kể chúng được đặt ở đâu.

Một thí nghiệm nhỏ được phóng lên Trạm Vũ trụ Quốc tế vào cuối năm nay có thể tạo tiền đề cho một mạng lượng tử toàn cầu trong tương lai. Được gọi là Thí nghiệm QUantum Entanglement và Annealing (hoặc SEAQUE), cuộc trình diễn công nghệ có kích thước bằng hộp sữa sẽ kiểm tra hai công nghệ truyền thông trong môi trường khắc nghiệt của không gian.

Máy tính lượng tử hứa hẹn hoạt động nhanh hơn hàng triệu lần so với máy tính thông thường và các cảm biến lượng tử phân tán có thể dẫn đến những hiểu biết mới về Trái đất và vị trí của chúng ta trong vũ trụ bằng cách đo những thay đổi nhỏ trong lực hấp dẫn. Nhưng để máy tính lượng tử hoặc cảm biến lượng tử có thể giao tiếp, chúng sẽ yêu cầu một mạng lưới truyền thông chuyên dụng. Thành phần quan trọng của mạng này sẽ là các “nút” không gian có thể nhận và truyền dữ liệu lượng tử đến và đi từ mặt đất thông qua liên lạc quang học trong không gian tự do.

EAQUE đặt ra để chứng minh khả năng tồn tại của các công nghệ có thể cho phép các nút quỹ đạo kết nối an toàn máy phát và máy thu lượng tử trong khoảng cách rất xa. Để làm được điều đó, các nút này sẽ cần tạo ra và phát hiện các cặp photon vướng víu . Cuối cùng, việc truyền các photon như vậy tới các máy tính lượng tử trên mặt đất có thể cung cấp nền tảng cho điện toán đám mây lượng tử – phương tiện để trao đổi và xử lý dữ liệu lượng tử bất kể máy tính được đặt ở đâu.

Sau khi được gắn vào bên ngoài của trạm vũ trụ, SEAQUE cũng sẽ thử nghiệm một kỹ thuật giúp các nút trên không gian “tự phục hồi” khỏi tác hại của bức xạ, một thách thức liên tục trong việc duy trì các thiết bị tinh vi trong không gian.

Makan Mohageg, đồng điều tra viên SEAQUE tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở Nam California, cho biết: “Việc chứng minh hai công nghệ này xây dựng nền tảng cho các mạng lượng tử toàn cầu trong tương lai có thể kết nối các máy tính lượng tử cách nhau hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn dặm.

Giống như mạng mà nó dự định kích hoạt, dự án là toàn cầu. Sự hợp tác của SEAQUE bao gồm các nhà khoa học và sinh viên từ Đại học Illinois Urbana-Champaign, những người đang dẫn đầu dự án; Đại học Waterloo ở Ontario, Canada; Đại học Quốc gia Singapore; Đối tác công nghiệp có trụ sở tại Montana, AdvR, Inc.; Nhà cung cấp hệ thống không gian thương mại Nanoracks có trụ sở tại Texas; và JPL .

Sức mạnh của sự vướng víu

Các cặp photon vướng víu được kết nối mật thiết đến mức phép đo một cái ảnh hưởng ngay đến kết quả đo cặp kia, ngay cả khi cách nhau một khoảng cách lớn. Đây là một đặc tính cơ bản của hệ thống cơ lượng tử. Nguồn photon vướng víu của SEAQUE chia các photon năng lượng cao thành các cặp photon “con” vướng víu. Các photon con đó sau đó được đếm và các đặc tính lượng tử của chúng được đo bằng các bộ dò bên trong của thiết bị.

Trong khi các thí nghiệm lượng tử dựa trên không gian khác phụ thuộc vào quang học khối lượng lớn (tập trung ánh sáng vào một tinh thể đặc biệt) để tạo ra các photon vướng víu, thì SEAQUE dựa trên một nguồn tích hợp các photon vướng víu bằng cách sử dụng một ống dẫn sóng – thiết bị đầu tiên dành cho tàu vũ trụ. Ống dẫn sóng là một cấu trúc vi mô hoạt động giống như một đường cao tốc cho các photon, hướng sự truyền của chúng mà không làm mất đi trạng thái lượng tử.

Paul Kwiat, điều tra viên chính của dự án tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, cho biết: “SEAQUE sẽ chứng minh một nguồn vướng víu mới và chưa từng có từ trước đến nay dựa trên quang học tích hợp. “Một nguồn như vậy vốn đã nhỏ hơn, mạnh hơn và hiệu quả hơn trong việc tạo ra các cặp photon so với các nguồn gây rối quang số lượng lớn được sử dụng trong các thí nghiệm không gian trước đây”.

hoặc ví dụ, trong trường hợp các hệ thống quang học số lượng lớn đó yêu cầu người vận hành trên mặt đất sắp xếp lại quang học một cách tinh vi sau khi bị lắc trong khi khởi động, thì hệ thống quang học của SEAQUE sẽ không.

“Nếu bạn đang xây dựng một mạng lượng tử toàn cầu, kết nối hàng trăm trạm lượng tử trên mặt đất trên các lục địa khác nhau, bạn không thể có người trực tiếp giữ các nguồn tại mỗi nút trong sự liên kết quang học,” nói Mohageg. “Một nguồn dựa trên ống dẫn sóng nguyên khối như nguồn SEAQUE sắp bay sẽ là một bước tiến vượt bậc hướng tới một mạng thông tin lượng tử toàn cầu có thể mở rộng.”

Chữa bệnh bằng laser

Độ tin cậy của trình diễn công nghệ có thể tăng thêm một lần nữa nếu SEAQUE chứng minh rằng nó cũng có thể sửa chữa những thiệt hại do bức xạ gây ra cho nó.

Các nút liên lạc lượng tử sẽ yêu cầu các máy dò có độ nhạy cao để nhận các tín hiệu lượng tử đơn photon từ bề mặt Trái đất. Khi các hạt năng lượng cao, hoặc bức xạ, từ không gian đập vào máy dò của các nút, chúng sẽ tạo ra các khuyết tật theo thời gian. Những khiếm khuyết này có thể tự biểu hiện thành “số lượng tối” trong đầu ra của máy dò, tạo ra tiếng ồn mà cuối cùng sẽ lấn át bất kỳ tín hiệu lượng tử nào từ mặt đất. Nếu không được kiểm soát, bức xạ không gian cuối cùng sẽ làm suy giảm các thiết bị dò tìm đến mức chúng sẽ cần được thay thế thường xuyên, cản trở khả năng tồn tại của một mạng liên lạc lượng tử toàn cầu.

Trong khi việc phát hiện tín hiệu từ Trái đất nằm ngoài phạm vi của cuộc trình diễn công nghệ này, SEAQUE sẽ sử dụng mảng máy dò của mình để đếm các photon được tạo ra bởi nguồn vướng víu của nó. Và SEAQUE sẽ sử dụng tia laser sáng để sửa chữa định kỳ các hư hỏng do bức xạ gây ra sẽ ảnh hưởng đến số lượng của dãy máy dò – một phương pháp khác trước tiên.

“Trong các thử nghiệm trên mặt đất, chúng tôi nhận thấy rằng kỹ thuật này làm cho các khuyết tật trong mạng ‘bong bóng bay đi’ – một quá trình được gọi là ủ – do đó làm giảm tiếng ồn của máy dò và có khả năng kéo dài tuổi thọ của các nút lượng tử trong không gian, tạo điều kiện cho một toàn cầu mạnh mẽ Kwiat nói.

SEAQUE sẽ được tổ chức trên trạm không gian bởi cửa hàng không Bishop , do Nanoracks sở hữu và vận hành. Nanoracks cũng đang cung cấp các dịch vụ vận hành sứ mệnh và điều phối các dịch vụ khởi động. Nguồn photon vướng víu quang học tích hợp cho SEAQUE được phát triển bởi AdvR, Inc. Dự kiến ra mắt không sớm hơn tháng 8 năm 2022, cuộc trình diễn công nghệ được tài trợ bởi Bộ phận Khoa học Vật lý và Sinh học của NASA trong Ban Giám đốc Sứ mệnh Khoa học của cơ quan này.

Theo Scitechdaily