量子技术内幕：量子与航天工业

由柏拉图重新发布

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By 肯纳休斯 - 卡斯尔伯里 16 年 2022 月 XNUMX 日发布

量子计算与航天工业的交集让两种下一代技术发生碰撞。对于量子纠缠等现象，空间中的量子设备，例如卫星，可以实现量子技术的下一阶段：量子互联网。据量子计算公司称 IonQ首席科学家克里斯·门罗：“量子技术在太空中的两个用例包括（a）安全通信，甚至在多个节点上，由量子物理定律确保，以及（b）可以以非常低的噪声测量某些量的分布式传感器。无论哪种情况，通信通道都需要在每个节点使用量子计算机作为中继器电路，从而消除了对小型轻量级量子计算机系统的需求。”

目前，正在研制的量子卫星采用的是QKD（Quantum Key Distribution），即接收方和发送方共享一组密钥。这允许更安全的连接。未来的卫星项目希望利用量子纠缠创造更多安全和更快的链接。根据 2022 “福布斯” 刊文：“量子纠缠链接允许以光速传送信息，但也意味着任何拦截信号的尝试都会立即切断链接，使黑客无法入侵。” 这些更安全的联系可以改变许多不同的行业。美国宇航局前火箭科学家奥林匹亚乐波因特解释说：“我们很可能会看到卫星转换为利用量子通信，这将防止银行数据、医院数据和国家安全漏洞。” 虽然这些纠缠连接可能会改变游戏规则，但它们很难维持，因为量子纠缠非常脆弱。正如您将在以下部分中看到的那样，许多国家都在努力实现太空中的量子纠缠连接，只是使用不同的方法。

中国的太空竞赛

中国成为第一个发送 QKD 卫星到太空。这颗名为 Micius 的卫星于 2016 年发射，可以将自身连接到相距 1200 多公里的地面站。 2022 年 XNUMX 月，中国发射了第二颗 QKD 卫星，重量约为墨子号的六分之一。 “根据科学日报 2 月，中国的天宫二号空间实验室向四个地面站传输了量子加密密钥，这些地面站能够从轨道运行的 Micius 卫星接收量子密钥，该卫星使用空间站作为中继器，” “福布斯” 刊文说。随着中国正努力在量子竞赛中领先，这两颗卫星可能有助于给他们带来可能的优势。

欧洲（欧洲航天局）航天工业

中国也不甘示弱，欧洲航天局（欧空局) 宣布了自己的计划，即在 2024 年之前发射一颗 QKD 卫星。该系统称为鹰1，将在轨道发射后的头三年内对该技术进行诊断。实际卫星由意大利公司 SITAEL 提供，而总部位于德国的 Tesat Spacecom 提供 QKD 有效载荷。该卫星将由法国-卢森堡电信公司 SES SA 运营。 “未来量子计算世界中的欧洲安全和主权对于欧洲及其成员国的成功至关重要，”SES SA 解释道。首席执行官史蒂夫·科勒。他补充说，该计划是“推进量子通信并开发 Eagle-1 系统，以支持未来安全和主权的欧洲网络。” 除了这 17 家公司，还有 XNUMX 家公司将参与 ESA 向太空发射 QKD 卫星的计划。

美国 (NASA) 航天工业

当美国正在研制自己的 QKD 卫星时，美国国家航空航天局 (美国航空航天局) 专注于检测空间纠缠。该项目被称为海蓝（空间纠缠退火量子实验），它会看看两个光子是否可以在空间中纠缠。根据 SEAQUE 的首席调查员的说法，保罗奎特博士伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员：“尝试从太空关闭链接的优势在于，光的强度基本上会下降，因此通过自由空间的损失比尝试发送信号要少得多通过纤维。” 研究人员计划推出 SEAQUE系统（不比牛奶盒大）今年年底。然后该系统将连接到国际空间站 (ISS) 的外部。在那里，研究人员可以测试纠缠。

“SEAQUE 将通过称为自发参量下转换的过程产生纠缠，在该过程中，单个光子穿过非线性晶体并产生两个能量较低的子光子”，2022 年 “大众科学” 文章。对于输入的每个光子，应该释放一对纠缠的子光子。研究人员将使用探测器来计算纠缠源产生的光子数量。 NASA 还计划测试一种不同的技术，其中 SEAQUE 可以帮助发射器和接收器“自我修复”来自太空辐射。如果这两个实验都顺利进行，SEAQUE 将成为建立纠缠量子互联网的多个阶段中的第一个。

助力航天工业发展量子互联网

通过长距离纠缠连接，望远镜图像等数据可以更快的速度从太空发送到地球。这使许多公司和政府能够为这些连接或量子互联网开发一个总体结构。 “我们更接近于看到量子互联网的出现，”LePoint 补充道。 “我们在美国宇航局 2020 年的突破性科学中看到了这一点，它率先创造了远距离隐形传态。然后在 2021 年，一个全息医生团队被“全息传送' 到太空使用这种长距离隐形传态访问居住在国际空间站 (ISS) 上的宇航员。 NASA 正在为量子互联网奠定基础，这将导致全息通信和技术的量子通信。” 随着航天工业致力于使太空对量子更加友好，量子工业的其他部分无疑将追随这一进步，希望在未来利用这项技术。

Kenna Hughes-Castleberry 是 Inside Quantum Technology 的特约撰稿人和 JILA（科罗拉多大学博尔德分校与 NIST 的合作机构）的科学传播者。她的写作节奏包括深度技术、元宇宙和量子技术。