量子技术承诺了计算能力的飞跃，通过利用支配亚原子世界的奇异规则，超越经典机器的极限。这一潜力的核心是一种被称为“干涉”的现象，即被称为光子的光粒子表现得像波一样。当两个相同的光子相遇时，它们可以相互抵消或相互增强，从而产生复杂的图案。这些图案不仅仅是视觉上的奇观；它们代表了一个经典计算机难以驾驭的广阔且隐藏的计算空间。虽然科学家长期以来一直利用卫星在全球范围内传输量子信号以实现安全通信，但使用这些脆弱的光粒子在太空中进行实际计算仍然是一个尚未解决的挑战。太空环境对这种精细的工作来说是出了名的恶劣，充满了辐射、极端的温度波动以及火箭发射时的剧烈震动，所有这些都极易破坏发生量子干涉所需的精确条件。
一支研究团队现在已成功证明，这种精细的量子处理确实可以在轨道上生存并运行。他们将一个专门设计的有效载荷发射到近地轨道，搭乘商业火箭与其他卫星一同飞行。在这个体积大约只有一个小手提箱大小、重量不足十公斤的紧凑单元内，他们安置了一台完整的基于光的量子计算机。该系统包括一个产生光子对的光源、一个可以路由和操纵这些光子的可编程芯片，以及用于计数的光子敏感探测器。芯片本身是一个通用光子集成电路，这是一个蚀刻有微观路径的微型玻璃结构，充当着光的迷宫。通过加热该芯片的特定部分，研究人员可以改变光子行进的路径，从而有效地对机器进行编程以执行不同的数学运算，而无需移动任何物理部件。
主要目标是证明，尽管在恶劣的太空条件下，光子仍能保持完全相同或具有不可区分性。如果光子的属性即使只有微小的差异，量子干涉也会消失，机器就会退化为表现得像标准、性能较低的经典计算机。为了测试这一点，团队编写了程序，让芯片充当一个平衡分束器，即一个迫使两个入射光子相遇的装置。在一个完美的量子场景中，如果光子是相同的，它们将总是通过同一条路径一起退出，绝不会同时到达两个不同的探测器。这种特定的行为被称为“洪-欧-曼德尔效应”（Hong-Ou-Mandel effect），它是量子干涉正在发生的特征性证明。研究人员扫描了光源的温度范围，寻找光子变得不可区分且同时检测到的巧合降至接近零的精确时刻。
结果证实了该量子处理器按预期工作。在过滤掉卫星暴露在阳光直射下（这会产生过多的背景噪声）的时段后，团队观察到了同时检测次数明显的下降。这种下降出现在一个特定的温度下，与地球上的预测相吻合，并表明光子以高度的精确度进行干涉。这种效应的可视度足够强，足以排除随机偶然性或经典行为，证明了机器成功生成并操纵了非经典光。此外，团队测试了芯片执行各种复杂路由操作（称为酉变换）的能力，发现即使在周围温度波动以及探测器因辐射暴露而缓慢退化的过程中，机器仍保持了极高的准确度。
这一成就标志着一个重要的转变：从仅仅将卫星作为反射量子信号的镜子，转变为将其作为主动处理器。实验表明，在太空真空中可以建立并维持量子计算所需的脆弱条件。虽然该系统面临着挑战，例如探测器噪声的逐渐增加以及由于内部污染导致的激光功率缓慢下降，但团队通过调整探测器的电压来恢复信号，从而应对了这些问题。这一可编程平台的成功运行表明，未来卫星可以直接在轨道上处理海量的地球观测数据，在将信息传回地面之前先识别模式或压缩信息。它为分布式量子计算机网络打开了大门，其中太空中的节点可以协同工作，去解决目前仍无法触及的问题，将恶劣的太空环境转化为下一代计算的理想前沿阵地。
技术摘要：在轨运行的可编程量子光子处理器
问题陈述
量子技术提供了超越经典极限的计算能力，特别是在对尺寸、重量和功耗（SWaP）预算有严格限制的卫星任务中。虽然光子量子技术已成功演示了空间到地面的量子密钥分发和纠缠分发，但在轨道上利用量子光进行“计算”仍是一个尚未解决的挑战。计算不仅需要产生光子，还需要维持相互的可区分性（indistinguishability）以实现量子干涉。这一条件非常脆弱，难以在恶劣的太空环境中维持，因为太空环境涉及火箭发射过程中的振动、由于轨道循环导致的强烈热漂移以及辐射暴露。因此，尽管量子态的光已经在轨道上被生成并传输，但此前从未被用作计算资源。
方法论
作者开发了一个运行在高度为 510 km 的近地轨道（LEO）纳米卫星上的可编程量子光子平台。该载荷于 2025 年 6 月 23 日随 SpaceX Transporter-14 任务发射，并由 D-Orbit 的 ION SCV 托管，其体积为 15 × 15 × 45.3 cm，质量为 9.8 kg，集成了三个主要功能阶段：
- 输入态制备： 一个使用周期性极化钾钛酸锂（ppKTP）晶体、由 405 nm 连续波激光泵浦的 II 型自发参量下转换（SPDC）光源，产生 810 nm 的正交偏振光子对。这些光子通过基于纤维的偏振分束器进行分离，并通过自由空间延迟线进行同步，以确保到达时间的不可区分性。
- 可编程处理： 核心是一个通过飞秒激光在玻璃中刻蚀而成的六模通用集成光子电路（uPIC）。该电路包含由热光相位移动器组成的 15 个马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网格，允许进行任意幺正变换（unitary transformations）。
- 探测： 单光子雪崩光电二极管（SPAD）探测输出光子。由于发射引起的纤维断裂，部署的六个 SPAD 中仅有三个（C0、C1、C5）保持功能正常。
工程与环境缓解措施
为了在太空环境中生存，载荷采用了几种对策：
- 机械加固： 光学组件安装在钛基板上，并使用低出气量环氧树脂进行粘合，以承受发射过程中的振动和冲击。光纤-芯片接口通过粘合剂进行了加固。
- 热管理： PID 控制温度控制器将 ppKTP 晶体的退化温度维持在约 32.5°C，精度为 0.1 K。载荷利用传导和辐射在真空中进行散热。
- 辐射屏蔽： 1 cm 厚的铝屏蔽层衰减了电子和轫致辐射。然而，质子仍然是显著的损伤源，导致 SPAD 的暗计数率（DCR）随时间增加。
- 操作策略： 测量被限制在轨道的“阴影”部分（即卫星处于地球本影期间），以避免由直接阳光引起的饱和和噪声峰值。SPAD 过电压从 7 V 动态调整至 12 V，以补偿辐射导致的效率损失。
关键结果
在八个月的运行过程中，团队成功演示了：
- 可重构幺正操作： 团队在 uPIC 上编写了不同的幺正变换。通过测量具有可区分光子的输出分布，他们实现了平均保真度 F=0.888±0.011（在排除两个归因于校准问题的离群值后，上升至 F=0.949±0.014）。这证实了该电路在不受控的太空环境中执行线性变换的能力。
- 双光子干涉： 通过调节晶体温度并将不可区分的光子路由至平衡分束器（MZI6），团队观察到了洪奥-门德尔（HOM）凹陷。干涉可见度测量值为 V=0.908±0.191，比 0.5 的经典界限高出 2.14 个标准差。通过结合三个独立运行日（轨道运行第 23、59 和 144 天）的数据，确保了统计上的稳健性。
- 系统韧性： 尽管辐射损伤导致 SPAD 暗计数稳步增加，且由于内部出气导致激光功率逐渐下降，系统仍保持了运行能力。通过调整 SPAD 过电压并限制在低噪声轨道相位进行测量，系统恢复了信噪比。
意义与主张
论文声称报告了首次在空间运行的可编程量子光子处理器。其主要意义在于建立了空间中进行量子增强型在轨处理所需的硬件原语——即在轨生成、操纵和探测非经典光。
作者指出，这项工作将空间中的光子量子技术从量子态的分布转向了量子态的处理。他们认为，这种能力是未来应用的前提，例如：
- 将地球观测数据直接编码到轨道量子处理器的操作中。
- 利用非经典统计进行在轨推理（例如机器学习）。
- 作为分布式量子网络中的节点。
论文谦逊地将这些结果描述为通往更高阶段的“第一步”，指出在光子硬件本身进行分类和压缩方面仍存在重大的工程挑战，例如在长时间采集过程中保持稳定性，以及开发针对漂移热条件的自主校准方法。该工作证明了可以在轨道上建立并控制量子干涉，验证了基于空间的边缘量子计算的可行性。
每周获取最佳 quantum physics 论文。
受到斯坦福、剑桥和法国科学院研究人员的信赖。
请查收邮箱确认订阅。
出了点问题，再试一次？
无垃圾邮件，随时退订。