Mechanika kwantowa startuje (dosłownie)

Wypowiadając to słynne zdanie, tak często wyrywane z kontekstu, Feynman chciał podkreślić, że nie jest możliwe zgłębienie mechaniki kwantowej na podstawie naszego codziennego doświadczenia, z dala od świata bardzo małych cząstek, bardzo zimnego i bardzo odizolowanego. Jednak zasady fizyki kwantowej są zrozumiałe, umożliwiając nam opracowywanie technologii mających konkretny wpływ na społeczeństwo.

W GMV nie tylko rozumiemy mechanikę kwantową, ale stosujemy ją do przekształcania sektora kosmicznego.

Technologie kwantowe – od kwantowej dystrybucji kluczy do bezpiecznej komunikacji po optymalizację obrazowania satelitarnego – nie są już teoretyczną ciekawostką, stosuje się je w podstawowych rozwiązaniach kosmicznych. Był to prawdziwy przeskok z laboratorium na orbitę.

Poniżej przedstawiamy, w jaki sposób GMV przewodzi tej rewolucji w przestrzeni kosmicznej dzięki przełomowym projektom w dziedzinie komunikacji, metrologii, nawigacji i obliczeń kwantowych.

Dwie rewolucje kwantowe i ich wpływ w przestrzeni kosmicznej

Rozwój technologii kwantowych nastąpił w dwóch głównych falach:

Pierwsza rewolucja technologiczna pod wpływem fizyki kwantowej opierała się na zastosowaniu „zgrubnych” zasad kwantowych, często wyrażanych w formie półklasycznej. Przykładami tych technologii są tranzystory – elementy składowe nowoczesnej elektroniki, w tym systemów pokładowych satelitów; zegary atomowe, niezbędne w systemach nawigacji satelitarnej, takich jak Galileo i w każdym środowisku, w którym wymagana jest dokładność pomiaru czasu poniżej nanosekund; oraz lasery, wykorzystywane w komunikacji optycznej ze statkami kosmicznymi.

Druga fala wykorzystuje subtelne, ściśle kwantowe zjawiska, takie jak superpozycja, splątanie, interferencja i tunelowanie, do opracowywania najnowocześniejszych technologii.

Caramuel – kwantowa dystrybucja kluczy z kosmosu

Dystrybucja kluczy kwantowych (QKD) umożliwia ustanowienie teoretycznie nienaruszalnych kanałów komunikacyjnych ze względu na samą naturę mechaniki kwantowej.

Chociaż dystrybucja kluczy QKD była wdrażana głównie za pośrednictwem światłowodów, jej wykorzystanie w przestrzeni kosmicznej zapewnia znaczące korzyści, ale wiąże się też z poważnymi wyzwaniami technicznymi.

W porównaniu z pionierskimi eksperymentami, takimi jak chiński satelita Micius czy europejska misja Eagle-1 (w ramach której firma GMV opracowała centrum kontroli), hiszpańska inicjatywa ma na celu zapewnienie komercyjnej usługi QKD z orbity geostacjonarnej.

Firma GMV uczestniczyła w projekcie Caramuel – w studium wykonalności oraz we wstępnej fazie projektowej tego przedsięwzięcia, w ramach której odpowiadaliśmy za segment naziemny systemu, w za tym destylację kluczy, zarządzanie łańcuchem kryptograficznym, kontrolę satelity i stacji optycznych, a także planowanie misji.

Carioqa – czujniki kwantowe w kosmosie

Metrologia kwantowa wykorzystuje czujniki kwantowe, które są bardzo wrażliwe na zmiany w ich otoczeniu, do pomiaru wielkości fizycznych z niespotykaną dotąd precyzją.

Projekt Carioqa (Cold Atom Rubidium Interferometer in Orbit for Quantum Accelerometry) ma na celu zaprojektowanie, budowę, kwalifikację i lot pierwszego akcelerometru kwantowego w kosmosie do 2030 roku. Instrument ten będzie mierzył drobne zmiany w ziemskim polu grawitacyjnym spowodowane topnieniem lodowców, ruchami tektonicznymi i zmianami wód gruntowych. Ponadto misja pozwoli na przetestowanie zasady słabej równoważności z niespotykaną dotąd precyzją. Będzie to jej „równoległy” wynik naukowy.

GMV wnosi do Carioqa wkład w postaci analizy misji.

Quantico – bezpieczna nawigacja kwantowa z kosmosu

Dzisiejsze kosmiczne systemy pozycjonowania, nawigacji i wyznaczania czasu (PNT) stoją w obliczu zagrożeń, takich jak spoofing i zagłuszanie. 

Rozwiązaniem może być fizyka kwantowa. 

Firma GMV zaprojektowała, opracowała i zweryfikowała prototyp Quantico, który łączy metrologię kwantową oraz techniki inspirowane kwantową dystrybucją kluczy w celu pomiaru z wysoką precyzją i przy wysokim poziomie ufności różnicy czasu między dwoma zegarami i związanym z nimi pseudozasięgiem.

W testach laboratoryjnych i terenowych, symulujących warunki niskiej orbity, osiągnęliśmy dokładność 6 cm w obliczeniach pseudoodległości, co czyni Quantico realną alternatywą dla bezpieczniejszych systemów nawigacji satelitarnej.

CUCO – obliczenia kwantowe a wyzwania kosmiczne

Chociaż obliczenia kwantowe są na wczesnym etapie rozwoju (firma GMV zainstalowała pierwszy komputer kwantowy w Hiszpanii w 2023 r.), ich potencjał dla przemysłu jest już badany. 

W tym kontekście GMV prowadzi CUCO – projekt badań stosowanych skoncentrowany na rozwoju algorytmów kwantowych dla strategicznych sektorów.

Jednym z najbardziej obiecujących przypadków użycia jest problem planowania misji satelitów obserwacji Ziemi (Satellite Mission Planning Problem – SMMP). Wybór optymalnych obrazów do przechwycenia, z poszanowaniem ograniczeń czasowych, przechowywania oraz geometrii orbitalnej, stanowi kombinatoryczne wyzwanie optymalizacyjne, wariant tzw. problemu „plecakowego”.

Przeanalizowaliśmy ponad 30 scenariuszy i przetestowaliśmy różne technologie kwantowe, w tym maszyny do wyżarzania D-Wave, hybrydowe algorytmy kwantowo-klasyczne oraz kwantową optymalizację wariacyjną.

Wyniki są obiecujące i choć wciąż daleko nam do wykazania przewagi kwantowej w praktycznych zastosowaniach, obliczenia kwantowe otwierają nowe możliwości planowania misji kosmicznych.

Od teorii kwantowej do kosmosu

„Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical”. – Richard Feynman

W GMV doskonale zdajemy sobie z tego sprawę.

Technologie kwantowe przeszły drogę z laboratorium do inżynierii stosowanej, a ich integracja w sektorze kosmicznym stale postępuje. 

Kwantowa przyszłość przestrzeni kosmicznej już tu jest, a GMV 

Autor: Juan Carlos Gil