Em uma etapa crítica para a criação de uma rede global de comunicações quânticas, pesquisadores geraram e detectaram o emaranhamento quântico a bordo de um nanosatélite CubeSat pesando menos de 2,6 kg e orbitando a Terra.

"No futuro, nosso sistema poderia ser parte de uma rede quântica global transmitindo sinais quânticos para receptores na Terra ou em outra espaçonave, "disse o autor principal Aitor Villar, do Centro de Tecnologias Quânticas da Universidade Nacional de Cingapura." Esses sinais podem ser usados ​​para implementar qualquer tipo de aplicativo de comunicação quântica, da distribuição de chaves quânticas para transmissão de dados extremamente segura ao teletransporte quântico, onde a informação é transferida através da replicação do estado de um sistema quântico à distância. "

No Optica , O jornal da The Optical Society (OSA) para pesquisas de alto impacto, Villar e um grupo internacional de pesquisadores demonstram que sua fonte miniaturizada de emaranhamento quântico pode operar com sucesso no espaço a bordo de um navio de poucos recursos, CubeSat de baixo custo que é menor do que uma caixa de sapatos. Os CubeSats são um tipo padrão de nanossatélite feito de múltiplos de unidades cúbicas de 10 cm × 10 cm × 10 cm.

"O progresso em direção a uma rede quântica global baseada no espaço está acontecendo em um ritmo rápido, "disse Villar." Esperamos que nosso trabalho inspire a próxima onda de missões de tecnologia quântica baseada no espaço e que novas aplicações e tecnologias possam se beneficiar de nossas descobertas experimentais. "

Emaranhamento quântico em miniaturização

O fenômeno da mecânica quântica conhecido como emaranhamento é essencial para muitas aplicações de comunicações quânticas. Contudo, criar uma rede global para distribuição de emaranhamento não é possível com fibras ópticas por causa das perdas ópticas que ocorrem em longas distâncias. Equipando pequenos, satélites padronizados no espaço com instrumentação quântica é uma forma de enfrentar esse desafio de maneira econômica.

Como primeiro passo, os pesquisadores precisavam demonstrar que uma fonte miniaturizada de fótons para o emaranhamento quântico poderia permanecer intacta durante as tensões de lançamento e operar com sucesso no ambiente hostil do espaço dentro de um satélite que pode fornecer o mínimo de energia. Para conseguir isso, eles examinaram exaustivamente cada componente da fonte de par de fótons usada para gerar emaranhamento quântico para ver se ele poderia ser menor ou mais robusto.

"Em cada estágio de desenvolvimento, estávamos ativamente conscientes dos orçamentos para a massa, tamanho e poder, "disse Villar." Ao iterar o projeto por meio de prototipagem e testes rápidos, chegamos a um robusto, pacote de fator de forma pequeno para todos os componentes disponíveis no mercado necessários para uma fonte de pares de fótons emaranhados. "

A nova fonte miniaturizada de pares de fótons consiste em um diodo laser azul que brilha em cristais não lineares para criar pares de fótons. Alcançar o emaranhamento de alta qualidade exigiu um redesenho completo dos suportes que alinham os cristais não lineares com alta precisão e estabilidade.

Lançando em órbita

Os pesquisadores qualificaram seu novo instrumento para o espaço testando sua capacidade de suportar a vibração e as mudanças térmicas experimentadas durante o lançamento de um foguete e operação no espaço. A fonte de pares de fótons manteve o emaranhamento de alta qualidade ao longo do teste, e o alinhamento do cristal foi preservado mesmo após ciclos repetidos de temperatura de -10 ° C a 40 ° C.

Os pesquisadores incorporaram seu novo instrumento no SpooQy-1, um CubeSat que foi colocado em órbita a partir da Estação Espacial Internacional em 17 de junho de 2019. O instrumento gerou pares de fótons emaranhados em temperaturas de 16 ° C a 21,5 ° C.

"Esta demonstração mostrou que a tecnologia de emaranhamento miniaturizado pode funcionar bem enquanto consome pouca energia, "disse Villar." Este é um passo importante em direção a uma abordagem econômica para a implantação de constelações de satélites que podem servir a redes quânticas globais. "O projeto foi financiado pela Fundação Nacional de Pesquisa de Cingapura.

Os pesquisadores agora estão trabalhando com a RALSpace no Reino Unido para projetar e construir um nanossatélite quântico semelhante ao SpooQy-1 com os recursos necessários para enviar fótons emaranhados do espaço para um receptor terrestre. Isso está programado para demonstração a bordo de uma missão de 2022. Eles também estão colaborando com outras equipes para melhorar a capacidade do CubeSats de oferecer suporte a redes quânticas.