В космосе впервые заработал программируемый фотонный квантовый процессор

Физики впервые заставили программируемый фотонный квантовый процессор выполнять квантовые операции непосредственно на орбите Земли. Компактная установка массой 9,8 килограмма генерировала отдельные пары фотонов, направляла их через перестраиваемую оптическую микросхему и зарегистрировала двухфотонную квантовую интерференцию — ключевой эффект, необходимый для фотонных квантовых вычислений. Эксперимент проходил на высоте около 510 километров.

Систему разработала международная группа под руководством исследователей Венского университета. Аппарат отправился в космос 23 июня 2025 года в рамках миссии SpaceX Transporter-14 на ракете Falcon 9. Квантовый процессор разместили как полезную нагрузку формата 3U на орбитальном аппарате ION SCV Passionate Paula компании D-Orbit, который работает на солнечно-синхронной орбите. Первые результаты длительных испытаний исследователи опубликовали только сейчас.

Весь квантовый блок занимает объём примерно 15 × 15 × 45 сантиметров, имеет массу 9,8 килограмма и в среднем потребляет около 10 ватт. Внутри находятся источник пар фотонов, программируемая интегральная фотонная схема с шестью каналами, детекторы отдельных фотонов и обычная электронная система управления. По сравнению с крупными лабораторными квантовыми установками такой процессор получился достаточно компактным для размещения на небольшом космическом аппарате.

Квантовая информация в системе переносится фотонами с длиной волны около 810 нанометров. Их пары получают в кристалле периодически поляризованного титанил-фосфата калия, освещаемом лазером с длиной волны 405 нанометров. После этого фотоны направляются в шестиканальную стеклянную микросхему, содержащую сеть интерферометров Маха — Цендера. Небольшие нагреватели позволяют изменять показатель преломления волноводов и программировать разные пути распространения света.

Для квантовых вычислений недостаточно просто получить два фотона. Они должны быть практически неразличимы по поляризации, длине волны и времени прихода. Если два одинаковых фотона одновременно попадают с разных сторон на сбалансированный оптический делитель, они интерферируют и преимущественно выходят вместе через один из его выходов. Число случаев, когда детекторы одновременно регистрируют их на разных выходах, резко уменьшается.

Такой эффект называется интерференцией Хонга — Оу — Мандела и служит одним из базовых инструментов линейной оптической квантовой обработки. Именно его исследователям удалось зарегистрировать на орбите.

Для настройки фотонов команда постепенно изменяла температуру нелинейного кристалла от 20 до 40 °C. При температуре около 32,5 °C частоты двух фотонов совпадали, и количество их раздельных регистраций заметно снижалось. Полученная видимость интерференции составила 0,908 ± 0,191. Значение оказалось на 2,14 стандартного отклонения выше классического предела 0,5. Падение числа совпадений удалось независимо воспроизвести в разные дни, а при переводе фотонной схемы в режим, где интерференции быть не должно, эффект исчезал.

Кроме этого, исследователи запрограммировали девять различных преобразований фотонов и сравнили полученные распределения сигналов с теоретическими расчётами. Среднее соответствие составило 0,888 ± 0,011. Если исключить два режима, пострадавших из-за проблемы с калибровкой оптической схемы, показатель достигал 0,949 ± 0,014.

Сам факт работы процессора на орбите оказался серьёзной инженерной задачей. Перед полётом компоненты подвергали вибрационным и ударным испытаниям, имитировавшим запуск ракеты. В одном из тестов система должна была выдерживать кратковременные нагрузки, соответствующие ускорению до 1500 g вблизи её резонансной частоты. Измерения после испытаний не обнаружили заметного ухудшения работы оптики.

В космосе возникли другие проблемы. На установке находилось шесть лавинных фотодиодов для регистрации отдельных фотонов, но после запуска пригодными для экспериментов остались только три. Поэтому вместо всех доступных выходов шестиканальной схемы исследователи использовали три работающих детектора и перенаправляли на них необходимые оптические сигналы.

Солнечный свет также оказался настолько сильным источником помех, что наиболее чувствительные измерения приходилось проводить, когда аппарат входил в тень Земли. Один оборот занимал примерно 92 минуты, а подходящее окно с низким уровнем фонового сигнала продолжалось около 30 минут.

Ещё одной проблемой стала радиация. Хотя установка защищена сантиметровым слоем алюминия, энергетические частицы на низкой околоземной орбите постепенно повреждали кремниевые детекторы. Уже спустя 52 дня исследователи зарегистрировали заметный рост числа ложных срабатываний. После 59 дней напряжение на детекторах увеличили с 7 до 12 вольт, что позволило повысить полезную частоту совпадающих регистраций примерно с 1,5 до 6 герц, хотя шум при этом также вырос. Несмотря на постепенное ухудшение характеристик, полезные оптические эксперименты удавалось проводить до восьми месяцев после запуска.

Неожиданная проблема возникла и с лазером. Внутри коммерческого лазерного модуля находился клей, который оказался недостаточно подходящим для вакуума. Выделявшиеся из него молекулы постепенно оседали на оптических деталях в виде углеродсодержащего налёта. При наземных вакуумных испытаниях мощность аналогичного лазера снизилась примерно с 20 до 4 милливатт. Проблему обнаружили слишком поздно: лётный образец к тому моменту уже был установлен на ракете. На орбите снижение мощности лазера стало одной из причин уменьшения полезного сигнала.

Несмотря на эти ограничения, исследователи смогли получить главный результат — сгенерировать, программируемо обработать и зарегистрировать неклассический свет непосредственно в космосе. Ранее спутники уже использовались для квантового распределения ключей, передачи запутанных фотонов и других экспериментов с квантовой связью. В новой работе квантовое состояние света впервые использовали на орбите как вычислительный ресурс в перестраиваемом фотонном процессоре.

До практической обработки спутниковых данных такой системе пока далеко. В нынешнем эксперименте использовались только два фотона, а исследователи демонстрировали базовые преобразования и интерференцию, а не распознавание изображений или другой прикладной алгоритм. Тем не менее именно способность поддерживать управляемую квантовую интерференцию после запуска ракеты, температурных циклов и длительного воздействия радиации была необходимым первым шагом.

В дальнейшем команда хочет связать квантовый процессор непосредственно с приборами наблюдения Земли. Идея заключается в том, чтобы часть спутниковых изображений обрабатывать прямо на борту и передавать на Землю уже результат классификации или сжатые данные вместо огромного массива необработанных снимков. Это особенно актуально для спутников, которые способны собирать информацию быстрее, чем позволяет пропускная способность канала связи с наземными станциями.

Для этого предстоит решить проблему деградации детекторов, стабилизировать источник фотонов на протяжении месяцев работы и научить процессор автоматически перекалибровываться при изменении температуры. Также потребуется перейти от демонстрации двухфотонной интерференции к более сложным квантовым алгоритмам. Авторы рассматривают нынешний эксперимент как первый этап создания бортовых квантовых процессоров и будущих распределённых квантовых сетей, в которых спутники будут не только передавать квантовые состояния, но и обрабатывать их непосредственно на орбите.

Исследование опубликовано в виде препринта на arXiv.