فضا یک مشکل بزرگ دادهای دارد.
بسیاری از ماهوارههای مستقر در مدار زمین تقریباً تمام وقت خود را صرف گردآوری داده خام میکنند؛ اما فرستادن این دادهها به زمین به دلیل محدودیت پهنای باند ارتباط رو به پایین و شمار دفعاتی که یک ماهواره میتواند با ایستگاههای گیرنده ارتباط برقرار کند، با مانع روبهرو میشود.
یکی از راهحلهای ممکن برای این مشکل، پردازش داده خام همانجا روی خود ماهواره است.
اکنون گروهی از فیزیکدانان به سرپرستی فیلیپ والتر از دانشگاه وین روشی جسورانه برای این کار را به نمایش گذاشتهاند.
برای نخستین بار، یک پردازنده کوانتومی در فضا به کار گرفته شده است.
اما رسیدن به این نقطه چندان هم آسان نبود.
رایانههای کوانتومی گلهایی ظریف و حساساند.
حالتهای کوانتومی که این رایانهها بر آنها تکیه میکنند، بهشدت به محیط اطراف خود حساساند. گرما، لرزش، تداخل الکترومغناطیسی و دیگر اختلالها میتوانند این حالتها را بر هم بزنند، خطا ایجاد کنند یا رفتار کوانتومی مورد نیاز رایانه را از میان ببرند.
دستیابی به این شرایط حتی در پاکیزهترین محیطهای آزمایشگاهی دشوار است. همانطور که میتوان تصور کرد، فضا محیطی بسیار کمگذشتتر است.
پردازندهای که والتر و همکارانش توسعه دادهاند، از ذرات نور — یعنی فوتونها — برای حمل اطلاعات کوانتومی استفاده میکند.
در قلب آن، چشمهای قرار دارد که فوتونها را جفتجفت تولید میکند و آنها را به شبکهای برنامهپذیر از مسیرهای نوری حکاکیشده روی یک تراشه شیشهای کوچک میفرستد.
برای آنکه پردازنده از رفتار کوانتومی این فوتونها بهره ببرد، باید آنها از یکدیگر قابلتشخیص نباشند. حتی تفاوتهای ناچیز در ویژگیهایی مانند زمان رسیدن، قطبش یا طول موج میتواند باعث شود فوتونها از هم بازشناخته شوند و تداخلی که محاسبه بر آن استوار است، از میان برود.
و این کار باید روی ماهوارهای انجام میشد که با سرعت ۲۸٬۰۰۰ کیلومتر (۱۷٬۴۰۰ مایل) در ساعت زیر پرتوهای بیفیلتر خورشید گرد زمین میچرخد — آن هم پس از تحمل فشار مکانیکی چشمگیر پرتاب موشک.
تنها راه رویارویی با این مشکلات، حل آنها یکییکی بود — و نخستین مورد در فهرست، پرتاب موشک بود.
پرتاب موشک، روشی خشن برای جابهجایی یک دستگاه نوری ظریف است — بستهشدن به لولهای غولپیکر و سنگین از مواد تقویتشده و شتابگرفتن تا سرعت مداری در میان جو زمین. حتی مستحکمترین سیستم تعلیقی که بتوان ساخت هم مانع از لرزش دیوانهوار آن نمیشود.
پس بهترین راهحل، تقویت خودِ ابزار بود.
پژوهشگران حساسترین اجزا را روی صفحات پایهای از جنس تیتانیوم مقاوم نصب کردند و فیبرهای نوری شکنندهای را که به تراشه فوتونی شیشهای وارد و از آن خارج میشوند، با رزین اپوکسی تقویت کردند. بهطور خلاصه، هر چیزی که ممکن بود بلرزد و به هیچ وجه نباید میلرزید، محکم چسبانده شد.
سپس آن را بهشدت تکان دادند.
پیش از پرتاب، نمونههای اولیه تحت آزمونهای لرزش و شوک قرار گرفتند که برای بازتولید سختی سفر با موشک طراحی شده بود. در یکی از فرکانسهای تشدید، الزام پاسخ به شوک به حدود ۱٬۵۰۰ برابر گرانش زمین رسید.
نتیجه داد. سامانه نوری بدون هیچ افت قابلاندازهگیری در عملکرد از آزمون بیرون آمد.
در ۲۳ ژوئن ۲۰۲۵، این رایانه با یک موشک فالکون ۹ به مدار نزدیک زمین در ارتفاع حدود ۵۱۰ کیلومتری پرتاب شد — و مشخص شد که پرتاب موشک کمترین مشکل آن خواهد بود.
همهچیز تقریباً بلافاصله شروع به خرابشدن کرد.
این ابزار با شش دیود بهمنی تکفوتونی سیلیکونی (SPAD) پرتاب شد که فوتونهای خارجشده از مدار فوتونی را آشکار میکنند — بخشی کاملاً حیاتی از آزمایش. اما تنها سهتای آنها قابلاستفاده بودند.
و سپس… خورشید از راه رسید.
آشکارسازهای فوتون باقیمانده چنان حساس بودند که نور خورشید سیگنال پسزمینهای قوی و بهشدت نوسانی ایجاد میکرد و اندازهگیریهای ظریف پژوهشگران را زیر خود میگرفت.
خوشبختانه، ماهواره تمام مدار خود را در نور خورشید نمیگذراند. هر حدود ۹۲ دقیقه، به سایه زمین وارد میشد و در آنجا نوفه پسزمینه بهشدت کاهش مییافت.
این به گروه پنجرهای حدود ۳۰ دقیقهای در هر مدار میداد تا حساسترین اندازهگیریهای خود را انجام دهند.
تا اینجا خوب بود. اما در حالی که سایه زمین مشکل نور خورشید را حل میکرد، کاری برای محیط تابشی مدار نزدیک زمین نمیتوانست بکند — یعنی تجمع پروتونها و الکترونهای پرانرژی بهدامافتاده در محدوده کمربندهای وان آلن.
پژوهشگران این را هم پیشبینی کرده بودند و محموله را در سپری یکسانتیمتری از آلومینیوم با درجه هوافضایی جای داده بودند.
این سپر در برابر الکترونها نسبتاً خوب عمل کرد — اما پروتونها بدون افزودن وزن سنگین، بسیار دشوارتر مسدود میشوند.
و همانطور که انتظار میرفت، آشکارسازهای فوتون باقیمانده شروع به فرسایش کردند. پس از ۵۲ روز در مدار، نرخ شمارش تاریک آنها — یعنی آشکارسازیهای کاذبی که حتی بدون رسیدن فوتون رخ میدهد — بهطور محسوسی افزایش یافت.
پژوهشگران توانستند با تنظیم ولتاژ اعمالی به آشکارسازها این مشکل را جبران کنند و بخشی از سیگنال ازدسترفته را بازیابند.
اما بعد نوبت لیزر بود.
گروه از یک لیزر تجاری استفاده کرده بود که برای تحمل سختیهای مکانیکی و حرارتی فضا اصلاح شده بود. حتی بدنه آن از آلیاژ کوار با روکش طلا ساخته شده بود؛ آلیاژی که بخشی از دلیل انتخابش این بود که با تغییر دما بسیار کم منبسط میشود.
متأسفانه، در اعماق آن چسبی وجود داشت که چندان مناسب فضا نبود.
در خلأ، این چسب شروع به گاززدایی کرد و مولکولهایی آزاد کرد که بهصورت لایهای غنی از کربن روی اجزای نوری مجاور انباشته شدند. در آزمونها، این آلودگی باعث شد خروجی لیزر در طول یک هفته از حدود ۲۰ میلیوات به تنها ۴ میلیوات سقوط کند.
و زمانی که دانشمندان مشکل را شناسایی کردند، مدل پروازی پیشاپیش در فالکون ۹ نصب شده بود. اوه!
دیگر هیچ فرصتی برای تعویض چسب یا پاککردن اجزای نوری آلوده نبود. و همانطور که آزمونها پیشبینی کرده بودند، خروجی لیزر در حین کار در فضا همچنان کاهش یافت و سیگنال رو به کاهش آشکارسازهای آسیبدیده از تابش را تشدید کرد.
با این حال، به شکلی، با وجود همه این ناکامیهای واقعاً بزرگ، آنها موفق شدند این دستگاه عجیبوغریب را به کار بیندازند.
برای انجام عملیات کوانتومی، فوتونهایی که در مدارهای این ابزار حرکت میکنند باید از یکدیگر قابلتشخیص نباشند. اگر دو فوتون از این دست دقیقاً همزمان به دو سوی یک اتصال نوری یکسان فرستاده شوند، اتفاقی بهطور مشخص کوانتومی رخ میدهد.
در این حالت، هر فوتون مسیر خود را در اتصال نمیپیماید، بلکه دو فوتون با یکدیگر تداخل میکنند و گرایش دارند که با هم از اتصال خارج شوند.
این پدیده چیزی را تولید میکند که فیزیکدانان افت هونگ-او-ماندل مینامند: هرچه فوتونها بیشتر شبیه یکدیگر شوند، شمار دفعاتی که آشکارسازها آنها را جداگانه خارجشده ثبت میکنند بهطور ناگهانی کاهش مییابد.
و این دقیقاً همان چیزی است که پژوهشگران در فضا مشاهده کردند.
برای آزمودن این موضوع، پژوهشگران بهتدریج دمای بلوری را که جفتهای فوتون را تولید میکند تغییر دادند. این کار طول موج فوتونها را تغییر میدهد و به گروه امکان میدهد آنها را تنظیم کنند تا طیفهایشان منطبق شود و از یکدیگر قابلتشخیص نباشند.
آنها از آزمونهای زمینی میدانستند که این نقطه مطلوب باید در حدود ۳۲٫۵ درجه سلسیوس رخ دهد.
و همانطور که انتظار میرفت، در تقریباً همان دما، نرخ همزمانی سقوط کرد و یک افت آشکار هونگ-او-ماندل پدید آمد.
دیدپذیری آن — که در اصل معیاری از شدت تداخل فوتونهاست — ۰٫۹۰۸ بود، بالاتر از حد کلاسیک ۰٫۵؛ هرچند عدمقطعیت چشمگیر در اندازهگیری باعث میشد این نتیجه تنها با ۲٫۱۴ انحراف معیار از آن آستانه بگذرد.
اما پژوهشگران این افت را بهطور مستقل در دو روز متفاوت نیز بازتولید کردند و هنگامی که پردازنده را بهعمد به وضعیتی بازآرایی کردند که نباید این اثر را تولید کند، افت ناپدید شد.
با وجود مشکلات فنی، ابزار این گروه در حال تولید و دستکاری تداخل غیرکلاسیکی بود که رایانش کوانتومی فوتونی بر آن استوار است.
آیا میتواند دادههای ماهوارهای را پردازش کند؟ هنوز بههیچوجه. اما این پردازنده یک آزمون حیاتی را نمایندگی میکند که به پژوهشگران امکان میدهد طرحهای خود را بهبود دهند و ابزارهایی مقاومتر برای محیط مداری بسازند.
پژوهشگران مینویسند: «نتایجی که در اینجا گزارش شده، نخستین گام در این مسیری است که دنبال میکنیم تا دستهبندی و فشردهسازی را روی خودِ سختافزار فوتونی ممکن کنیم و تنها محصول استنتاج را به زمین بفرستیم.»
«این پیشرفت پردازندههای مداری را به همتای طبیعی پیوندهای کوانتومی تبدیل میکند که پیشتر میان ماهوارهها و زمین برقرار شده است: گرهها و کانالها با هم معماری توزیعشدهای را تعریف میکنند با پوشش جهانی و دسترسی کمتأخیر، که در آن محاسبه کوانتومی دیگر به محیطهای آزمایشگاهی کنترلشده محدود نمیماند، بلکه در مقیاس گسترده در سراسر شبکه به کار گرفته میشود.»
این مقاله که هنوز داوری همتا نشده، در سرور پیشچاپ arXiv در دسترس است.