Les chercheurs ont développé une source miniaturisée d'intrication quantique qui ne mesure que 20 sur 10 centimètres. Crédit :Center for Quantum Technologies, université nationale de Singapour
Dans une étape critique vers la création d'un réseau mondial de communications quantiques, des chercheurs ont généré et détecté un enchevêtrement quantique à bord d'un nanosatellite CubeSat pesant moins de 2,6 kilogrammes et en orbite autour de la Terre.
"À l'avenir, notre système pourrait faire partie d'un réseau quantique mondial transmettant des signaux quantiques à des récepteurs sur Terre ou sur d'autres engins spatiaux, " a déclaré l'auteur principal Aitor Villar du Center for Quantum Technologies de l'Université nationale de Singapour. " Ces signaux pourraient être utilisés pour mettre en œuvre tout type d'application de communication quantique, de la distribution de clés quantiques pour une transmission de données extrêmement sécurisée à la téléportation quantique, où l'information est transférée en reproduisant l'état d'un système quantique à distance."
Dans Optique , Le journal de l'Optical Society (OSA) pour la recherche à fort impact, Villar et un groupe international de chercheurs démontrent que leur source miniaturisée d'intrication quantique peut fonctionner avec succès dans l'espace à bord d'un véhicule à faibles ressources, CubeSat économique qui est plus petit qu'une boîte à chaussures. Les CubeSats sont un type standard de nanosatellite constitué de multiples d'unités cubiques de 10 cm × 10 cm × 10 cm.
« Les progrès vers un réseau quantique mondial basé dans l'espace se déroulent à un rythme rapide, " a déclaré Villar. "Nous espérons que nos travaux inspireront la prochaine vague de missions de technologie quantique spatiales et que de nouvelles applications et technologies pourront bénéficier de nos découvertes expérimentales."
Miniaturiser l'intrication quantique
Le phénomène de mécanique quantique connu sous le nom d'intrication est essentiel à de nombreuses applications de communication quantique. Cependant, la création d'un réseau mondial pour la distribution de l'enchevêtrement n'est pas possible avec les fibres optiques en raison des pertes optiques qui se produisent sur de longues distances. Équiper les petits, des satellites standardisés dans l'espace avec une instrumentation quantique est un moyen de relever ce défi de manière rentable.
Dans un premier temps, les chercheurs devaient démontrer qu'une source de photons miniaturisée pour l'intrication quantique pouvait rester intacte malgré les contraintes du lancement et fonctionner avec succès dans l'environnement hostile de l'espace au sein d'un satellite pouvant fournir une énergie minimale. Pour y parvenir, ils ont examiné de manière exhaustive chaque composant de la source de paires de photons utilisée pour générer l'intrication quantique pour voir s'il pouvait être rendu plus petit ou plus robuste.
Le SpooQy-1 CubeSat contient un instrument quantique miniaturisé qui crée des paires de photons avec la propriété quantique d'intrication. L'intrication est détectée dans les corrélations des polarisations des photons. Crédit :Center for Quantum Technologies, Université nationale de Singapour et NASA
« A chaque étape du développement, nous étions activement conscients des budgets pour la masse, taille et puissance, " a déclaré Villar. " En itérant la conception par le biais d'un prototypage et de tests rapides, nous sommes arrivés à un robuste, boîtier de petit facteur de forme pour tous les composants standard nécessaires à une source de paires de photons enchevêtrées."
La nouvelle source de paires de photons miniaturisée consiste en une diode laser bleue qui brille sur des cristaux non linéaires pour créer des paires de photons. L'obtention d'un enchevêtrement de haute qualité a nécessité une refonte complète des montures qui alignent les cristaux non linéaires avec une précision et une stabilité élevées.
Satellisation
Les chercheurs ont qualifié leur nouvel instrument pour l'espace en testant sa capacité à résister aux vibrations et aux changements thermiques rencontrés lors d'un lancement de fusée et d'une opération dans l'espace. La source de paires de photons a maintenu un enchevêtrement de très haute qualité tout au long du test, et l'alignement cristallin a été préservé même après des cycles répétés de température de -10 °C à 40 °C.
Les chercheurs ont incorporé leur nouvel instrument dans SpooQy-1, un CubeSat qui a été déployé en orbite depuis la Station spatiale internationale le 17 juin 2019. L'instrument a réussi à générer des paires de photons intriqués à des températures allant de 16 °C à 21,5 °C.
"Cette démonstration a montré que la technologie d'intrication miniaturisée peut bien fonctionner tout en consommant peu d'énergie, " a déclaré Villar. " Il s'agit d'une étape importante vers une approche rentable du déploiement de constellations de satellites pouvant desservir les réseaux quantiques mondiaux. " Le projet a été financé par la National Research Foundation de Singapour.
Les chercheurs travaillent maintenant avec RALSpace au Royaume-Uni pour concevoir et construire un nanosatellite quantique similaire à SpooQy-1 avec les capacités nécessaires pour transmettre des photons intriqués de l'espace à un récepteur au sol. Ceci est prévu pour une démonstration à bord d'une mission 2022. Ils collaborent également avec d'autres équipes pour améliorer la capacité des CubeSats à prendre en charge les réseaux quantiques.
