У спутников есть серьёзная проблема: они способны собирать огромные объёмы информации, но передавать всё это на Землю не так просто. Скорость связи ограничена, а контакт с наземными станциями доступен далеко не постоянно.
Один из возможных выходов — обрабатывать данные прямо на борту спутника. И теперь группа физиков под руководством Филипа Вальтера из Венского университета сделала важный шаг в этом направлении: впервые квантовый процессор удалось запустить и заставить работать в космосе.
Самое удивительное — что устройство вообще пережило этот эксперимент.
Квантовые системы чрезвычайно чувствительны к окружающей среде. Нагрев, вибрации, электромагнитные помехи и другие воздействия способны разрушать хрупкие квантовые состояния и вносить ошибки в вычисления. Даже в хорошо контролируемой лаборатории с ними непросто работать, а космос добавляет к этому запуск ракеты, перепады условий, солнечный свет и радиацию.
Созданный исследователями процессор использует фотоны — частицы света, которые переносят квантовую информацию. Специальный источник создаёт их парами и направляет в программируемую сеть оптических каналов, сформированных внутри небольшого стеклянного чипа.
Для работы процессора фотоны должны быть практически неотличимы друг от друга. Даже небольшая разница во времени прихода, поляризации или длине волны способна нарушить квантовую интерференцию, на которой основаны вычисления.
Всё это устройство предстояло отправить на спутник, который движется вокруг Земли со скоростью около 28 тысяч километров в час. Перед этим аппаратура должна была выдержать запуск ракеты.
Особенно хрупкие детали закрепили на прочных титановых основаниях, а оптические волокна зафиксировали эпоксидным составом. Фактически всё, что могло сдвинуться, но не должно было двигаться, закрепили максимально жёстко.
Затем конструкцию подвергли серьёзным вибрационным и ударным испытаниям, имитирующим запуск. На одной из резонансных частот требуемая ударная нагрузка достигала примерно 1500 ускорений свободного падения.
Оптика выдержала тесты без заметного ухудшения характеристик.
23 июня 2025 года устройство отправилось на низкую околоземную орбиту высотой около 510 километров на ракете «Фэлкон-9». Однако выяснилось, что сам запуск был едва ли не самой простой частью испытания.
На борту находились шесть кремниевых детекторов одиночных фотонов, необходимых для регистрации света, выходящего из квантовой схемы. Из шести пригодными для работы оказались только три.
Затем вмешалось Солнце.
Оставшиеся детекторы оказались настолько чувствительными, что солнечный свет создавал мощный и постоянно меняющийся фон, на котором было трудно различить нужные сигналы.
Спасала тень Земли. Примерно каждые 92 минуты спутник оказывался на ночной стороне планеты, и уровень помех резко снижался. Это давало исследователям около 30 минут за один оборот для наиболее чувствительных измерений.
Но оставалась радиация. В околоземном пространстве присутствуют энергичные протоны и электроны, способные повреждать электронику и детекторы.
Исследователи заранее окружили оборудование сантиметровым слоем авиационного алюминия. От электронов такая защита помогала достаточно хорошо, но остановить протоны намного сложнее без значительного увеличения массы.
Через 52 дня работы детекторы начали заметно деградировать. Число ложных срабатываний, возникающих даже без попадания фотона, выросло. Учёным удалось частично компенсировать проблему изменением напряжения питания.
Но затем возникла новая неприятность — лазер.
Для эксперимента использовали коммерческий лазер, доработанный для работы в условиях космоса. Его корпус изготовили даже из позолоченного сплава с очень небольшим тепловым расширением.
Проблема скрывалась внутри: один из клеевых составов оказался плохо приспособлен к вакууму.
В безвоздушной среде клей начал выделять молекулы, которые оседали на соседних оптических элементах в виде богатой углеродом плёнки. Во время наземных испытаний из-за такого загрязнения мощность лазера всего за неделю падала примерно с 20 до 4 милливатт.
Когда исследователи окончательно установили причину, лётный образец уже находился внутри ракеты. Заменить клей или очистить оптику было невозможно.
В космосе прогноз подтвердился: мощность лазера продолжала снижаться, а детекторы одновременно страдали от радиации.
И всё же процессор заработал.
Чтобы провести ключевой эксперимент, учёным требовалось заставить два фотона стать практически неотличимыми. Если такие частицы одновременно входят с противоположных сторон одного оптического узла, возникает характерный квантовый эффект: фотоны интерферируют и начинают чаще выходить вместе, а не по отдельности.
Это можно заметить по резкому уменьшению числа случаев, когда два детектора одновременно регистрируют раздельно вышедшие фотоны. Такой эффект называют провалом Хонга — У — Мандела.
Именно его исследователи и обнаружили на орбите.
Они постепенно меняли температуру кристалла, создающего пары фотонов. При этом изменялась длина их волн, что позволяло сделать спектры двух частиц максимально похожими.
На Земле учёные уже установили, что оптимальная температура должна находиться примерно возле 32,5 градуса Цельсия.
В космосе при почти точно такой же температуре число раздельных регистраций резко упало. Это стало свидетельством квантовой интерференции непосредственно на борту спутника.
Измеренная выраженность эффекта составила 0,908, что выше классического предела 0,5. При этом неопределённость измерений оставалась достаточно большой, и превышение порога соответствовало 2,14 стандартного отклонения.
Дополнительную уверенность исследователям дали повторные испытания. Эффект удалось независимо получить в два разных дня. А когда процессор специально перенастроили так, чтобы интерференция возникать не должна была, характерный провал исчез.
Таким образом, несмотря на отказ половины детекторов, солнечные помехи, радиацию и деградацию лазера, устройство смогло создавать и управлять неклассической интерференцией фотонов — явлением, необходимым для фотонных квантовых вычислений.
До полноценной обработки спутниковых данных такому компьютеру пока далеко. Однако эксперимент показал, что сам принцип работоспособен и квантовую вычислительную систему действительно можно эксплуатировать за пределами лаборатории.
В дальнейшем исследователи хотят создавать более устойчивые устройства, способные прямо на спутниках классифицировать и сжимать собранную информацию, чтобы на Землю передавался уже результат обработки, а не огромный поток необработанных данных.
Авторы рассматривают такие орбитальные процессоры как возможное дополнение к уже существующим квантовым каналам связи между спутниками и Землёй. В перспективе вычислительные узлы и линии связи могли бы образовать распределённую квантовую сеть с глобальным покрытием.
Пока работа ещё не прошла рецензирование и опубликована на сервере препринтов arXiv. Но главный результат уже продемонстрирован экспериментально: квантовый процессор впервые смог работать непосредственно на орбите.
