Космосът има сериозен проблем с данните.

Много от спътниците в околоземна орбита прекарват почти цялото си време в събиране на необработени данни. Изпращането на цялата тази информация обратно към Земята обаче е ограничено както от пропускателната способност на комуникационните канали, така и от това колко често спътникът може да установява връзка с наземните приемни станции.

Едно възможно решение е данните да бъдат обработвани още на борда на самия спътник.

Сега екип от физици, ръководен от Филип Валтер от Виенския университет, демонстрира необичаен и амбициозен начин това да стане.

За първи път квантов процесор е работил в Космоса.

Пътят дотам обаче съвсем не е бил лесен.

Квантов процесор в една от най-негостоприемните среди

Квантовите компютри са изключително чувствителни устройства.

Квантовите състояния, на които се основава работата им, лесно се нарушават от външната среда. Топлина, вибрации, електромагнитни смущения и други въздействия могат да внесат грешки или напълно да разрушат квантовото поведение, необходимо за извършването на изчисления.

Да се осигурят подходящи условия е трудно дори в добре контролирана лаборатория. В Космоса предизвикателството е още по-голямо.

Процесорът, разработен от Валтер и колегите му, използва частици светлина – фотони – като носители на квантова информация.

Как работи фотонният квантов процесор

В основата на системата е източник, който генерира двойки фотони и ги подава към програмируема мрежа от оптични канали, оформени върху миниатюрен стъклен чип.

За да може процесорът да използва квантовите им свойства, фотоните трябва да бъдат неразличими един от друг. Дори минимални разлики във времето им на пристигане, поляризацията или дължината на вълната могат да ги направят различими и да нарушат интерференцията, върху която се основават изчисленията.

Всичко това е трябвало да работи на борда на спътник, който обикаля Земята със скорост около 28 000 километра (17 400 мили) в час, изложен на силното слънчево излъчване без защитата на земната атмосфера – и то след като системата вече е преживяла сериозните механични натоварвания при изстрелването.

Затова учените трябвало да решават проблемите един по един. Първото голямо изпитание било самото изстрелване.

Схема на разработената от екипа платформа за квантови изчисления. (Steiner et al., arXiv, 2026)

Първото изпитание: да оцелее при изстрелването

Ракетното изстрелване е изключително сурово изпитание за деликатна оптична апаратура. Устройството трябва да бъде закрепено към масивна конструкция и да понесе огромни натоварвания и вибрации, докато ракетата преминава през атмосферата и достига орбитална скорост.

Дори най-добрата система за окачване не би могла напълно да го предпази от подобно разтърсване. Затова изследователите решили да укрепят самия инструмент.

Най-деликатните компоненти били монтирани върху здрави титаниеви основи, а крехките оптични влакна, които отвеждат светлината към и от стъкления фотонен чип, били допълнително фиксирани с епоксидна смола. На практика всичко, което не бива да се движи, било здраво закрепено.

След това системата била подложена на изключително сериозни тестове.

Преди изстрелването прототипите преминали през изпитания с вибрации и ударни натоварвания, които трябвало да възпроизведат условията по време на ракетния полет. При една от резонансните честоти изискването за устойчивост достигало приблизително 1500 пъти земното ускорение.

Решението се оказало успешно. След изпитанията не било установено измеримо влошаване в работата на оптичната система.

На 23 юни 2025 г. компютърът бил изведен в ниска околоземна орбита на височина около 510 километра с ракета Falcon 9. Скоро обаче станало ясно, че самото изстрелване ще се окаже най-малкият от проблемите му.

Квантовият изчислителен модул, проектиран за работа в Космоса. (Steiner et al., arXiv, 2026)

Проблемите започват почти веднага

Още в началото на мисията нещата започнали да се усложняват.

Системата била изстреляна с шест силициеви лавинни фотодиода за регистриране на единични фотони – SPAD. Те засичат фотоните, излизащи от фотонната схема, и са ключова част от експеримента. Оказало се обаче, че само три от шестте детектора могат да бъдат използвани.

След това се намесило и Слънцето.

Останалите фотонни детектори били толкова чувствителни, че слънчевата светлина създавала силен и непрекъснато променящ се фонов сигнал, който заглушавал фините измервания на екипа.

За щастие спътникът не прекарвал цялото време на слънчева светлина. Приблизително на всеки 92 минути той навлизал в сянката на Земята, където фоновият шум намалявал рязко.

Това давало на учените около 30 минути при всяка обиколка, през които можели да правят най-чувствителните си измервания.

Проблемът със слънчевата светлина имал решение, но земната сянка не можела да предпази апаратурата от радиационната среда в ниска околоземна орбита – високоенергийни протони и електрони, задържани в поясите на Ван Алън.

Изследователите били предвидили и този риск и защитили полезния товар със слой от един сантиметър авиационен алуминий.

Радиацията постепенно уврежда детекторите

Защитата се справяла сравнително добре с електроните, но протоните са значително по-трудни за спиране, без конструкцията да бъде утежнена сериозно.

Както можело да се очаква, оцелелите фотонни детектори започнали постепенно да се влошават. След 52 дни в орбита честотата на т.нар. тъмни импулси – фалшиви регистрирания, които възникват дори когато до детектора не достига фотон – осезаемо се увеличила.

Учените успели частично да компенсират проблема, като коригирали напрежението, подавано към детекторите, и така възстановили част от изгубения сигнал.

Тогава обаче възникнал нов проблем – с лазера.

Едно лепило почти проваля експеримента

Екипът използвал стандартен лазер, модифициран така, че да издържа на механичните и температурните натоварвания в Космоса. Корпусът му дори бил изработен от позлатен Kovar – сплав, подбрана отчасти заради много малкото ѝ топлинно разширение.

Дълбоко във вътрешността на устройството обаче имало лепило, което се оказало неподходящо за работа в космически условия.

Във вакуум то започнало да отделя газове. Освободените молекули се натрупвали върху близките оптични компоненти и образували богат на въглерод слой.

По време на изпитанията това замърсяване довело до спад на мощността на лазера от около 20 миливата до едва 4 миливата в рамките на една седмица.

Когато учените установили причината, летателният модел вече бил интегриран в ракетата Falcon 9. За промени вече било твърде късно.

Нямало възможност нито лепилото да бъде заменено, нито замърсената оптика да бъде почистена. И както предварителните тестове подсказвали, мощността на лазера продължила да намалява и по време на работата в Космоса. Това допълнително отслабило и без това намаляващия сигнал от увредените от радиацията детектори.

Въпреки всички тези сериозни препятствия екипът все пак успял да накара системата да работи.

Как учените доказват квантовото поведение в Космоса

За да могат да се извършват квантови операции, фотоните, преминаващи през схемите на инструмента, трябва да бъдат неразличими един от друг.

Ако два такива фотона попаднат едновременно от противоположни страни в един и същ оптичен възел, се проявява характерен квантов ефект.

Вместо всеки фотон да продължи по отделен път, двата интерферират помежду си и в резултат имат по-голяма вероятност да излязат заедно.

Това води до явлението, известно като спад на Хонг–Оу–Мандел. Колкото по-неразличими стават фотоните, толкова по-рязко намалява броят на случаите, в които детекторите ги регистрират поотделно.

Именно този ефект изследователите успели да наблюдават и в Космоса.

За да го проверят експериментално, учените постепенно променяли температурата на кристала, който генерира фотонните двойки.

Това променя дължината на вълната на фотоните и позволява те да бъдат фино настройвани, докато спектрите им съвпаднат и частиците станат практически неразличими.

От наземните изпитания учените знаели, че оптималните условия би трябвало да се появят при температура около 32,5 градуса по Целзий.

Точно около тази температура честотата на едновременните регистрирания рязко намаляла и се появил ясно изразен спад на Хонг–Оу–Мандел.

Характерният спад в броя на регистрираните фотони при температура на кристала около 32,5 °C показва, че на борда на спътника действително протича квантова интерференция. (Steiner et al., arXiv, 2026)

Видимостта на ефекта – мярка за силата на интерференцията между фотоните – достигнала 0,908, което е над класическата граница от 0,5. Поради сравнително голямата неопределеност на измерването обаче резултатът надхвърлял този праг с 2,14 стандартни отклонения.

Екипът успял да възпроизведе същия спад независимо в два различни дни. Когато учените умишлено преконфигурирали процесора в състояние, при което ефектът не би трябвало да възниква, спадът изчезнал.

Какво означава този резултат

Въпреки множеството технически проблеми устройството на екипа е успяло да генерира и контролира некласическата интерференция, върху която се основават фотонните квантови изчисления.

Може ли системата вече да обработва данните, събирани от спътници? Все още не.

Но този процесор е важна практическа стъпка. Резултатите ще помогнат на изследователите да усъвършенстват конструкцията и да разработят по-надеждни устройства, способни да работят продължително в орбитална среда.

В този смисъл технологията е част от по-широкия стремеж все повече изчисления, комуникационни задачи и научни анализи да се извършват директно от апарати в орбита, вместо цялата необработена информация първо да бъде изпращана към Земята.

„Резултатите, представени тук, са първата стъпка по пътя, който следваме, за да позволим класифицирането и компресирането да се извършват директно върху фотонния хардуер, а към Земята да се изпраща единствено крайният резултат от анализа“, пишат изследователите.

Подобна система би била особено полезна за спътници, които непрекъснато генерират огромни количества информация, но разполагат с ограничени възможности да я изпращат към Земята. Космическите комуникации са изминали дълъг път – още през 1962 г. е изстрелян първият комуникационен спътник „Телстар“, споменат и в този материал на Obekti.bg.

„Този напредък би превърнал процесорите в орбита в естествено допълнение към квантовите връзки, които вече са изградени между спътниците и Земята: възлите и комуникационните канали заедно могат да оформят разпределена архитектура с глобално покритие и ниска латентност, при която квантовите изчисления вече няма да бъдат ограничени до контролирана лабораторна среда, а ще могат да бъдат внедрявани в голям мащаб в рамките на цялата мрежа.“

Подобни технологии показват колко бързо се разширяват възможностите на космическите апарати – от обработването на информация директно в орбита до мисии, способни да работят при изключително тежки условия, като сондата „Паркър“ на NASA.

Научната статия все още не е преминала през рецензиране и е публикувана в сървъра за препринти arXiv.