Впервые физикам удалось задействовать программируемый фотонный квантовый процессор для выполнения квантовых операций непосредственно на орбите нашей планеты. Устройство, имеющее массу 9,8 килограмма, способно генерировать отдельные пары фотонов, направлять их через перенастраиваемую оптическую микросхему и фиксировать двухфотонную квантовую интерференцию – фундаментальный эффект, необходимый для осуществления фотонных квантовых вычислений. Эксперимент проводился на высоте приблизительно 510 километров над поверхностью Земли.

Международная группа исследователей, координируемая специалистами Венского университета, создала данную систему. Запуск аппарата состоялся 23 июня 2025 года в рамках миссии SpaceX Transporter-14 с использованием ракеты Falcon 9. Квантовый процессор был размещен как полезная нагрузка стандартного формата 3U на борту орбитального аппарата ION SCV Passionate Paula, принадлежащего компании D-Orbit и функционирующего на солнечно-синхронной орбите. Публикация первых результатов продолжительных испытаний была отложена до настоящего времени.

Общий размер квантового блока составляет около 15 × 15 × 45 сантиметров, его вес — 9,8 килограмма, а среднее энергопотребление – порядка 10 ватт. Внутри устройства расположены источник пар фотонов, программируемая интегральная фотонная схема с шестью каналами, детекторы отдельных фотонов и стандартная электронная система управления. По сравнению с крупногабаритными квантовыми установками, используемыми в лабораториях, данный процессор отличается значительно меньшими размерами, что позволяет установить его на небольшом космическом аппарате.

Передача квантовой информации осуществляется посредством фотонов, длина волны которых составляет приблизительно 810 нанометров. Эти пары генерируются в кристалле титанил-фосфата калия с периодической поляризацией, который подсвечивается лазером с длиной волны 405 нанометров. После генерации фотоны направляются в шестиканальную стеклянную микросхему, включающую в себя сеть интерферометров Маха — Цендера. Для управления траекториями распространения света и программирования различных путей используются небольшие нагреватели, позволяющие изменять показатель преломления волноводов.

Для проведения квантовых вычислений недостаточно просто создать два фотона; они должны обладать практически идентичными характеристиками по поляризации, длине волны и времени прибытия. В случае одновременного попадания двух одинаковых фотонов с противоположных сторон на оптический делитель, происходит их интерференция, что приводит к преобладающему выходу через один из его портов. Количество случаев регистрации детектором этих фотонов на разных выходах значительно снижается.

Описанный эффект известен как интерференция Хонга — Оу — Мандела и представляет собой один из ключевых инструментов линейной оптической квантовой обработки информации. Именно этот эффект удалось зафиксировать в условиях космического полета.

Для точной настройки фотонов исследователи постепенно изменяли температуру нелинейного кристалла, варьируя ее от 20 до 40 °C. При температуре около 32,5 °C частоты двух фотонов оказались идентичными, что приводило к заметному снижению количества их независимых регистраций. Замеченная видимость интерференции составила 0,908 ± 0,191, что на 2,14 стандартных отклонения превышает классический предел в 0,5. Повторение уменьшения числа совпадений было успешно воспроизведено в разные дни, а при переходе фотонной схемы в режим, исключающий интерференцию, эффект полностью исчез.

Помимо этого, команда исследователей запрограммировала девять различных преобразований фотонов и сравнила полученные распределения сигналов с теоретическими моделями. Среднее значение соответствия составило 0,888 ± 0,011. После исключения двух режимов, на которые повлияла проблема с калибровкой оптической схемы, данный показатель увеличился до 0,949 ± 0,014.

Обеспечение работоспособности процессора в условиях космического пространства представляло собой значительную инженерную задачу. Перед отправкой на орбиту компоненты прошли серию вибрационных и ударных тестов, призванных воспроизвести условия запуска ракеты. В ходе одного из этапов система должна была выдержать кратковременные нагрузки, эквивалентные ускорению в 1500 g, близкому к её резонансной частоте. После завершения испытаний измерения не выявили существенных изменений в работе оптической системы.

В условиях космического пространства возникли дополнительные трудности. На установке изначально было шесть лавинных фотодиодов, предназначенных для регистрации отдельных фотонов, однако после вывода на орбиту работоспособными оказались только три. В связи с этим, вместо использования всех доступных каналов шестиканальной схемы, исследователи применили лишь три функционирующих детектора и перенаправляли на них необходимые оптические сигналы.

Интенсивность солнечного излучения также оказалась значительным источником помех, что вынуждало проводить наиболее чувствительные измерения во время прохождения аппарата через тень Земли. Один оборот вокруг планеты занимал приблизительно 92 минуты, а период с низким уровнем фонового сигнала длился около 30 минут.

Серьезной трудностью оказалась проблема радиационного воздействия. Несмотря на наличие защиты в виде сантиметрового слоя алюминия, энергетические частицы, присутствующие на низкой околоземной орбите, постепенно приводили к деградации кремниевых детекторов. Уже через 52 дня после старта миссии ученые зафиксировали значительное увеличение количества ошибочных срабатываний. Для компенсации ухудшения характеристик, по истечении 59 дней, напряжение на детекторах было повышено с 7 до 12 вольт, что позволило увеличить полезную частоту совпадений приблизительно с 1,5 до 6 герц, однако это сопровождалось ростом уровня шума. Тем не менее, проведение значимых оптических экспериментов оставалось возможным на протяжении восьми месяцев после выведения спутника на орбиту.

Непредвиденные трудности возникли и в связи с использованием лазера. Внутри коммерческого лазерного модуля применялся клей, не обладающий достаточной устойчивостью к условиям вакуума. Молекулы, выделявшиеся из этого клея, постепенно осаждались на оптические элементы, образуя углеродсодержащий налёт. Во время наземных испытаний в вакууме мощность аналогичного лазера снизилась примерно с 20 до 4 милливатт. Обнаружение этой проблемы произошло слишком поздно: лётный образец уже был установлен на ракете. На орбите уменьшение мощности лазера стало одной из причин ослабления полезного сигнала.

Несмотря на существующие ограничения, ученым удалось добиться ключевого результата – создать, обработать по заранее заданной программе и зарегистрировать неклассический свет непосредственно в космическом пространстве. Ранее спутниковые аппараты применялись для квантового распределения ключей, передачи запутанных фотонов и реализации других экспериментов, связанных с квантовой связью. В рамках данной работы квантовое состояние света впервые было использовано на орбите в качестве вычислительного ресурса в перенастраиваемом фотонном процессоре.

Реализация практической обработки спутниковых данных подобной системой пока представляется отдаленной перспективой. В ходе текущего эксперимента использовались лишь два фотона, а исследователи продемонстрировали базовые преобразования и интерференцию, но не распознавание изображений или другие прикладные алгоритмы. Тем не менее, именно способность поддерживать управляемую квантовую интерференцию после запуска ракеты, перепадов температур и длительного воздействия радиации стала необходимым первоначальным этапом развития технологии.

В дальнейшем планируется интеграция квантового процессора с инструментами наблюдения за Землей. Предполагается, что часть спутниковых изображений будет обрабатываться непосредственно на борту аппарата, а на Землю будет передаваться уже результат классификации или сжатые данные вместо огромного массива необработанных снимков. Данная концепция особенно актуальна для спутников, способных собирать информацию быстрее, чем позволяет пропускная способность канала связи с наземными станциями.

Реализация данной задачи сопряжена с необходимостью преодоления ряда трудностей: требуется разработать методы предотвращения ухудшения характеристик детекторов, обеспечить стабильность источника фотонов в течение длительного периода эксплуатации и создать систему автоматической перенастройки процессора при колебаниях температуры. Кроме того, предстоит расширить функциональность демонстрации двухфотонной интерференции, включив в работу более совершенные квантовые алгоритмы. Исследователи оценивают текущий эксперимент как начальный этап формирования бортовых квантовых вычислительных устройств и перспективных распределённых квантовых сетей, где спутники будут выполнять не только передачу квантовых состояний, но и их обработку непосредственно на орбите.

Исследование опубликовано в виде препринта на arXiv.