موفقیت آزمایش بزرگ دانشمندان: برای اولین‌بار یک کامپیوتر کوانتومی در فضا فعال شد

برای اولین‌بار، یک کامپیوتر کوانتومی در فضا مشغول به کار شد. این آزمایش که روی یک ماهواره در مدار پایینی زمین انجام شد، نشان داد یک پردازنده کوانتومی فوتونیک می‌تواند با وجود شرایط دشوار فضا، پدیده‌های کوانتومی موردنیاز برای محاسبات را در مدار زمین ایجاد کند.

به گزارش ساینس‌آلرت، این دستاورد می‌تواند در آینده به پردازش داده‌های ماهواره‌ها پیش از ارسال آن‌ها به زمین کمک کند. ماهواره‌ها حجم زیادی از داده‌های خام را جمع‌آوری می‌کنند، اما ظرفیت محدود ارتباطی و فرصت‌های محدود برای ارتباط با ایستگاه‌های زمینی، ارسال همه این داده‌ها را دشوار می‌کند. یکی از راهکارهای احتمالی، پردازش داده‌ها مستقیماً روی ماهواره و ارسال نتیجه پردازش به زمین است.

مشکلات کامپیوتر کوانتومی در فضا

پردازنده مورد استفاده پژوهشگران از فوتون‌ها، یعنی ذرات نور، برای انتقال اطلاعات کوانتومی استفاده می‌کند. در مرکز این سیستم، منبعی قرار دارد که فوتون‌ها را به‌صورت جفت تولید می‌کند و آن‌ها را وارد شبکه‌ای قابل‌برنامه‌ریزی از مسیرهای نوری می‌کند که روی یک تراشه شیشه‌ای کوچک ساخته شده‌اند.

برای انجام محاسبات کوانتومی، فوتون‌ها باید تا حد امکان از یکدیگر غیرقابل‌تشخیص باشند. تفاوت‌های بسیار کوچک در زمان رسیدن، قطبش یا طول موج می‌تواند باعث شود فوتون‌ها از یکدیگر قابل تشخیص باشند و در نتیجه تداخل کوانتومی موردنیاز برای محاسبات از بین برود.

پژوهشگران برای قراردادن این سیستم در مدار، ابتدا باید آن را در برابر شرایط سخت پرتاب راکت مقاوم می‌کردند. بخش‌های حساس دستگاه روی صفحات تیتانیومی مقاوم نصب شدند و فیبرهای نوری متصل به تراشه فوتونیک نیز تقویت شدند.

نمونه‌های اولیه پیش از پرتاب تحت آزمایش‌های لرزش و شوک قرار گرفتند تا شرایط پرتاب راکت شبیه‌سازی شود. در یکی از فرکانس‌های تشدید، سطح شوک مورد آزمایش به حدود ۱۵۰۰ برابر شتاب گرانش زمین رسید. عملکرد بخش‌های نوری پس از این آزمایش‌ها افت محسوسی نداشت.

این پردازنده در تابستان ۲۰۲۵ با یک راکت فالکون ۹ به مدار پایین زمین در ارتفاع حدود ۵۱۰ کیلومتری منتقل شد، اما پس از رسیدن به فضا با مشکلات جدیدی مواجه گردید. این سیستم ابتدا به شش آشکارساز تک‌فوتونی از نوع SPAD مجهز بود که فوتون‌های خارج‌شده از مدار فوتونیک را شناسایی می‌کردند، اما تنها سه آشکارساز قابل استفاده بودند.

نور خورشید نیز مشکل دیگری ایجاد کرد. آشکارسازهای باقی‌مانده آن‌قدر حساس بودند که نور خورشید یک سیگنال پس‌زمینه شدید و متغیر ایجاد می‌کرد و اندازه‌گیری‌های حساس پژوهشگران را تحت تأثیر قرار می‌داد. بااین‌حال، ماهواره هر حدود ۹۲ دقیقه یک بار وارد سایه زمین می‌شد. در این بازه، نویز پس‌زمینه کاهش می‌یافت و پژوهشگران تقریباً ۳۰ دقیقه در هر مدار فرصت داشتند حساس‌ترین اندازه‌گیری‌های خود را انجام دهند.

لیزر دستگاه نیز با مشکل دیگری مواجه شد. پژوهشگران از یک لیزر تجاری استفاده کرده بودند که برای تحمل شرایط مکانیکی و حرارتی فضا اصلاح شده بود. بدنه آن نیز از آلیاژی با روکش طلا ساخته شده بود که یکی از ویژگی‌های آن انبساط حرارتی بسیار کم است. اما درون لیزر از چسبی استفاده شده بود که برای شرایط خلأ مناسب نبود.

با وجود این مشکلات، پژوهشگران توانستند مهم‌ترین آزمایش خود را انجام دهند: مشاهده تداخل کوانتومی فوتون‌ها در فضا.

برای انجام عملیات کوانتومی، فوتون‌هایی که در مدارهای نوری حرکت می‌کنند باید غیرقابل‌تشخیص باشند. اگر دو فوتون مشابه از دو سمت مخالف یک اتصال نوری و دقیقاً در یک زمان وارد شوند، به‌جای اینکه هرکدام مسیر جداگانه‌ای را طی کنند، با یکدیگر تداخل و تمایل پیدا می‌کنند با هم از اتصال خارج شوند.

این پدیده به «افت هنگ-مندل» معروف است. هرچه دو فوتون بیشتر شبیه یکدیگر باشند، تعداد دفعاتی که آشکارسازها آن‌ها را به‌صورت جداگانه شناسایی می‌کنند، کاهش بیشتری پیدا می‌کند. آزمایش‌های زمینی نشان داده بود که نقطه مطلوب باید در دمای حدود ۳۲.۵ درجه سانتی‌گراد باشد. در فضا نیز تقریباً در همین دما، نرخ ثبت هم‌زمان فوتون‌ها به‌شدت کاهش یافت و افت هنگ-مندل به‌وضوح مشاهده شد.

بااین‌حال، این پردازنده هنوز نمی‌تواند داده‌های ماهواره‌ای را در فضا پردازش کند. پژوهشگران این آزمایش را یک آزمون فنی مهم برای توسعه نسل‌های مقاوم‌تر پردازنده‌های کوانتومی فضایی می‌دانند.

این پژوهش هنوز همتاداوری نشده و پیش‌نویس مقاله آن در arXiv در دسترس قرار گرفته است.