今年晚些时候发射到国际空间站的一个小型实验可能为未来的全球量子网络奠定基础。这项名为空间纠缠和退火量子实验（或SEAQUE）的技术演示将在恶劣的太空环境中测试两种通信技术。

量子计算机有望以比传统计算机快数百万倍的速度运行，分布式量子传感器可以通过测量重力的微小变化，对地球和我们在宇宙中的位置产生新的理解。但要让量子计算机或量子传感器进行通信，它们需要一个专用的通信网络。该网络的一个关键组成部分将是空间“节点”，可以通过自由空间光通信接收和传输量子数据。

SEAQUE着手证明技术的可行性，这些技术可以使轨道节点在远距离安全连接量子发射器和接收器。要做到这一点，这些节点需要产生并检测成对的纠缠光子。最终，将这样的光子传送到地面上的量子计算机可以为量子云计算提供基础，不管计算机位于何处，都可以交换和处理量子数据。

一旦连接到空间站的外部，SEAQUE还将测试一种技术，以帮助天基节点“自我修复”辐射损伤，这是在太空中维护精密仪器的持续挑战。

“展示这两种技术为未来全球量子网络奠定了基础，它可以将位于数百甚至数千英里之外的量子计算机连接起来。”加利福尼亚南部NASA喷气推进实验室SeaQuo联合调查员Makan Mohageg说。

纠缠的力量

纠缠光子对之间的联系如此紧密，以至于测量其中一个光子会立即影响测量另一个光子的结果，即使它们相隔很远。这是量子力学系统的一个基本特征。SEAQUE的纠缠光子源将高能光子分裂成成对的纠缠“子”光子。然后对这些子光子进行计数，并通过仪器的内部探测器测量它们的量子特性。

其他基于空间的量子实验依赖于体光学（将光聚焦到一个特殊的晶体中）来产生纠缠光子，而SEAQUE则依赖于使用波导的集成纠缠光子源——这是航天器的首次。波导是一种微观结构，它就像光子的高速公路，在几乎不损失量子态的情况下引导光子的传输。

SeaQuo将展示一种基于集成光学的新的、从未飞行过的纠缠源，与以前空间实验中使用的块状光学纠缠源相比，这种光源本质上更小、更坚固，在产生光子对方面更有效。

例如，如果在发射过程中受到震动后，这些块状光学元件需要地面操作员进行精密的光学重新对准，SEAQUE的光学元件将不会。

如果你要建立一个全球量子网络，连接不同大陆上的数百个量子地面站，你就负担不起让一个人在环路中保持每个节点的源在光学对准。基于单片波导的光源，如one SEAQUE即将发射的光源，将是朝着可扩展的全球量子信息网络的巨大进步。

激光修复

如果SEAQUE能够证明它也能修复辐射对其造成的损害，那么该技术演示的可靠性可能会得到进一步提升。

量子通信节点需要高灵敏度的探测器来接收来自地球表面的单光子量子信号。当来自太空的高能粒子或辐射击中节点的探测器时，它们会随着时间的推移产生缺陷。这些缺陷可以表现为探测器输出中的“暗计数”，产生的噪声最终会淹没地面的任何量子信号。如果不加以控制，空间辐射最终将使此类探测器性能下降，以至于需要定期更换，从而阻碍全球量子通信网络的生存能力。

虽然探测来自地球的信号超出了这项技术演示的范围，但SEAQUE将使用其探测器阵列来计算其纠缠源产生的光子。SEAQUE将使用明亮的激光定期修复辐射引起的损伤，这将首先影响探测器阵列的计数。

“在地面测试中，我们发现这种技术会导致晶格中的缺陷‘冒泡’——这一过程被称为退火，从而降低探测器噪声，并可能延长空间量子节点的寿命，从而促进一个强大的全球网络。”Kwiat说。

SEAQUE将由Bishop airlock在空间站上托管，由Nanoracks所有和运营。Nanoracks还提供任务运行服务，并协调发射服务。用于SEAQUE的集成光学纠缠光子源由AdvR公司开发。