Ένα μικροσκοπικό κβαντικό υπολογιστικό σύστημα κατάφερε να λειτουργήσει σε τροχιά γύρω από τη Γη, ανοίγοντας έναν δρόμο που μέχρι σήμερα έμοιαζε περισσότερο με θεωρητική ιδέα παρά με ρεαλιστική τεχνολογία.
Για πρώτη φορά, ερευνητές απέδειξαν ότι ένας κβαντικός επεξεργαστής μπορεί να λειτουργήσει στο σκληρό περιβάλλον του Διαστήματος, παρά τις ακραίες θερμοκρασίες, τους κραδασμούς, την ηλιακή ακτινοβολία και τη διαστημική ακτινοβολία.
Η ομάδα φυσικών, με επικεφαλής τον Φίλιπ Βάλτερ από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης, έστειλε τον επεξεργαστή σε χαμηλή γήινη τροχιά στις 23 Ιουνίου 2025, με έναν πύραυλο Falcon 9. Ο δορυφόρος τέθηκε σε ύψος περίπου 510 χιλιομέτρων και κινείται γύρω από τη Γη με ταχύτητα περίπου 28.000 χιλιομέτρων την ώρα.
Το εγχείρημα είχε έναν ευρύτερο στόχο: να εξεταστεί εάν στο μέλλον οι δορυφόροι θα μπορούν να επεξεργάζονται οι ίδιοι μέρος των τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων που συλλέγουν, αντί να τα στέλνουν όλα στη Γη.
Σήμερα, η μεταφορά αυτών των δεδομένων περιορίζεται από το διαθέσιμο εύρος ζώνης των επικοινωνιών και από τα χρονικά παράθυρα κατά τα οποία ένας δορυφόρος μπορεί να συνδεθεί με επίγειους σταθμούς.
Η ιδέα είναι απλή στη σύλληψη, αλλά εξαιρετικά δύσκολη στην πράξη: ο δορυφόρος να επεξεργάζεται τα δεδομένα επιτόπου και να στέλνει στη Γη μόνο το αποτέλεσμα που χρειάζεται.
Το πρόβλημα είναι ότι οι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι σχεδιασμένοι για να λειτουργούν σε τέτοιες συνθήκες.
Οι κβαντικές καταστάσεις είναι εξαιρετικά ευαίσθητες σε εξωτερικές διαταραχές. Θερμότητα, κραδασμοί και ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές μπορούν να προκαλέσουν σφάλματα ή να καταστρέψουν την κβαντική συμπεριφορά που απαιτείται για τους υπολογισμούς.
Κι αν αυτό είναι δύσκολο να αντιμετωπιστεί σε ένα εργαστήριο, γίνεται ακόμη δυσκολότερο όταν η συσκευή βρίσκεται πάνω σε έναν πύραυλο που εκτοξεύεται με τεράστια επιτάχυνση και στη συνέχεια εκτίθεται στο περιβάλλον του Διαστήματος.
Το πρώτο τεστ ήταν η ίδια η εκτόξευση
Οι ερευνητές γνώριζαν ότι ο εξοπλισμός έπρεπε πρώτα να επιβιώσει από την εκτόξευση.
Γι’ αυτό ενίσχυσαν τα πιο ευαίσθητα εξαρτήματα με βάσεις από τιτάνιο και στερέωσαν τις οπτικές ίνες που συνδέονται με το φωτονικό τσιπ χρησιμοποιώντας εποξική ρητίνη.
Πριν από την εκτόξευση, τα πρωτότυπα υποβλήθηκαν σε δοκιμές κραδασμών και μηχανικών καταπονήσεων που προσομοίαζαν τις συνθήκες μιας εκτόξευσης πυραύλου.
Σε μία από τις δοκιμές, η καταπόνηση έφτασε περίπου τις 1.500 φορές την επιτάχυνση της βαρύτητας της Γης.
Η συσκευή άντεξε και οι οπτικές της επιδόσεις δεν παρουσίασαν μετρήσιμη υποβάθμιση.
Η πραγματική δοκιμασία όμως ξεκίνησε όταν ο επεξεργαστής βρέθηκε σε τροχιά.
Από τους έξι ανιχνευτές, έμειναν τρεις
Το σύστημα είχε έξι ανιχνευτές φωτονίων, γνωστούς ως SPAD, οι οποίοι είναι απαραίτητοι για την καταγραφή των φωτονίων που εξέρχονται από το φωτονικό κύκλωμα.
Μόνο οι τρεις από αυτούς αποδείχθηκαν τελικά λειτουργικοί.
Και στη συνέχεια εμφανίστηκε ένα ακόμη πρόβλημα: ο Ήλιος.
Οι ανιχνευτές ήταν τόσο ευαίσθητοι ώστε η ηλιακή ακτινοβολία δημιουργούσε ένα έντονο και συνεχώς μεταβαλλόμενο σήμα υποβάθρου, καλύπτοντας τις εξαιρετικά ασθενείς μετρήσεις που προσπαθούσαν να πραγματοποιήσουν οι επιστήμονες.
Η λύση ήταν να περιμένουν τη σκιά της Γης.
Ο δορυφόρος περνούσε περίπου κάθε 92 λεπτά από το σκοτεινό τμήμα της τροχιάς του, προσφέροντας στην ομάδα ένα παράθυρο περίπου 30 λεπτών με πολύ χαμηλότερο θόρυβο.
Αυτό το διάστημα ήταν αρκετό για να πραγματοποιηθούν οι πιο ευαίσθητες μετρήσεις.
Η ακτινοβολία άρχισε να καταστρέφει τους ανιχνευτές
Το ηλιακό φως όμως δεν ήταν το μοναδικό πρόβλημα.
Στη χαμηλή γήινη τροχιά, ο εξοπλισμός εκτίθεται σε ενεργητικά πρωτόνια και ηλεκτρόνια που παγιδεύονται στις ζώνες ακτινοβολίας Βαν Άλεν.
Οι ερευνητές είχαν τοποθετήσει γύρω από το φορτίο μια θωράκιση από αλουμίνιο πάχους ενός εκατοστού. Η προστασία λειτούργησε αρκετά καλά απέναντι στα ηλεκτρόνια, όχι όμως εξίσου αποτελεσματικά απέναντι στα πρωτόνια.
Μετά από 52 ημέρες σε τροχιά, οι εναπομείναντες ανιχνευτές άρχισαν να παρουσιάζουν εμφανή σημάδια υποβάθμισης. Ο αριθμός των ψευδών ανιχνεύσεων αυξήθηκε, ακόμη και όταν δεν έφτανε κανένα φωτόνιο.
Η ομάδα κατάφερε να περιορίσει εν μέρει το πρόβλημα αλλάζοντας την τάση λειτουργίας των ανιχνευτών.
Τότε όμως ήρθε το επόμενο χτύπημα.
Η κόλλα που δεν άντεξε το κενό του Διαστήματος
Το σύστημα χρησιμοποιούσε ένα εμπορικό λέιζερ, τροποποιημένο ώστε να αντέχει τις μηχανικές και θερμικές καταπονήσεις του Διαστήματος. Ακόμη και το περίβλημά του είχε κατασκευαστεί από επιχρυσωμένο Kovar, ένα κράμα που παρουσιάζει πολύ μικρή διαστολή όταν αλλάζει η θερμοκρασία.
Υπήρχε όμως ένα εξάρτημα που δεν είχε προβλεφθεί σωστά: μια κόλλα στο εσωτερικό του λέιζερ.
Στο κενό του Διαστήματος, η κόλλα άρχισε να απελευθερώνει μόρια. Αυτά κατέληξαν πάνω σε γειτονικά οπτικά εξαρτήματα και δημιούργησαν ένα λεπτό φιλμ πλούσιο σε άνθρακα.
Στις δοκιμές στη Γη, το φαινόμενο είχε μειώσει την ισχύ του λέιζερ από περίπου 20 milliwatt σε μόλις 4 milliwatt μέσα σε μία εβδομάδα.
Το πρόβλημα εντοπίστηκε, αλλά ήταν πλέον αργά. Ο εξοπλισμός είχε ήδη ενσωματωθεί στον Falcon 9 και δεν υπήρχε δυνατότητα αντικατάστασης της κόλλας ή καθαρισμού των οπτικών εξαρτημάτων.
Όπως είχαν προβλέψει οι δοκιμές, η ισχύς του λέιζερ συνέχισε να μειώνεται και στο Διάστημα.
Και παρ’ όλα αυτά, το πείραμα λειτούργησε.
Η κβαντική συμπεριφορά που αναζητούσαν
Ο επεξεργαστής χρησιμοποιεί φωτόνια για να μεταφέρει κβαντική πληροφορία. Για να λειτουργήσει σωστά, τα φωτόνια πρέπει να είναι ουσιαστικά πανομοιότυπα μεταξύ τους.
Όταν δύο τέτοια φωτόνια φτάσουν ταυτόχρονα από αντίθετες πλευρές σε μια οπτική διασταύρωση, δεν συμπεριφέρονται όπως δύο κλασικά σωματίδια. Αντί να ακολουθήσουν ανεξάρτητα τη δική τους διαδρομή, αλληλεπιδρούν μέσω κβαντικής συμβολής και έχουν την τάση να εξέλθουν μαζί.
Το φαινόμενο είναι γνωστό ως «βύθισμα Hong-Ou-Mandel» και αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα της κβαντικής συμπεριφοράς που απαιτείται για τη φωτονική κβαντική υπολογιστική.
Οι ερευνητές άλλαξαν σταδιακά τη θερμοκρασία του κρυστάλλου που δημιουργούσε τα ζεύγη φωτονίων, μεταβάλλοντας έτσι τα μήκη κύματός τους.
Από τα πειράματα στη Γη γνώριζαν ότι τα φωτόνια θα έπρεπε να γίνουν μη διακρίσιμα περίπου στους 32,5 βαθμούς Κελσίου.
Και αυτό ακριβώς συνέβη.
Σχεδόν στην ίδια θερμοκρασία, ο ρυθμός συμπτώσεων μειώθηκε απότομα, δημιουργώντας το χαρακτηριστικό «βύθισμα» Hong-Ou-Mandel.
Η ορατότητα του φαινομένου ήταν 0,908, έναντι του κλασικού ορίου του 0,5. Η μέτρηση είχε σημαντική αβεβαιότητα, με αποτέλεσμα η υπέρβαση του ορίου να αντιστοιχεί σε 2,14 τυπικές αποκλίσεις.
Το αποτέλεσμα αναπαράχθηκε σε δύο διαφορετικές ημέρες. Όταν, μάλιστα, οι ερευνητές αναδιαμόρφωσαν σκόπιμα τον επεξεργαστή σε μια κατάσταση στην οποία το φαινόμενο δεν θα έπρεπε να εμφανιστεί, το «βύθισμα» εξαφανίστηκε.
Για τους επιστήμονες, αυτό ήταν το κρίσιμο αποτέλεσμα.
Παρά τους κατεστραμμένους ανιχνευτές, την ηλιακή ακτινοβολία, τη διαστημική ακτινοβολία και ένα λέιζερ που έχανε σταδιακά την ισχύ του, το σύστημα κατάφερε να παράγει και να χειριστεί τη μη κλασική κβαντική συμβολή που απαιτείται για τη φωτονική κβαντική υπολογιστική.
Θα επεξεργάζονται στο μέλλον οι δορυφόροι τα δικά τους δεδομένα;
Ο συγκεκριμένος επεξεργαστής δεν είναι ακόμη σε θέση να αναλάβει την επεξεργασία των τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων ενός σύγχρονου δορυφόρου.
Το πείραμα όμως αποδεικνύει κάτι σημαντικό: ότι ένας κβαντικός επεξεργαστής μπορεί να λειτουργήσει εκτός εργαστηρίου και σε πραγματικές συνθήκες τροχιάς.
Το επόμενο βήμα είναι να κατασκευαστούν πιο ανθεκτικά συστήματα, τα οποία θα μπορούν να λειτουργούν για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα και να αντιμετωπίζουν αποτελεσματικότερα την ακτινοβολία, τη θερμότητα και τις υπόλοιπες προκλήσεις του Διαστήματος.
Ο απώτερος στόχος είναι οι δορυφόροι να μπορούν να πραγματοποιούν ταξινόμηση και συμπίεση των δεδομένων τους απευθείας σε τροχιά και να στέλνουν στη Γη μόνο τα αποτελέσματα που έχουν πραγματική αξία.
Με αυτόν τον τρόπο, οι κβαντικοί υπολογιστές σε τροχιά θα μπορούσαν στο μέλλον να λειτουργούν ως «κόμβοι» ενός ευρύτερου κβαντικού δικτύου, σε συνδυασμό με τις κβαντικές συνδέσεις που ήδη αναπτύσσονται μεταξύ δορυφόρων και επίγειων σταθμών.
Η κβαντική υπολογιστική θα μπορούσε έτσι να περάσει σταδιακά από τα ελεγχόμενα εργαστηριακά περιβάλλοντα στις πραγματικές συνθήκες του Διαστήματος.
Η μελέτη δεν έχει ακόμη υποβληθεί σε αξιολόγηση από ανεξάρτητους επιστήμονες (peer review) και είναι διαθέσιμη ως προδημοσίευση στον διακομιστή arXiv.
Με πληροφορίες από το Sciencealert
