A satellite to test in-orbit laser annealing was sent into orbit from the International Space Station (ISS) today, marking an important step towards the realization of secure quantum communication using satellites and a global quantum internet.
Institute for Quantum Computing (IQC) and Department of Physics and Astronomy faculty member Thomas Jennewein and the Quantum Photonics Lab (QPL) research group at the University of Waterloo collaborated with the University of Illinois Urbana-Champaign to design, build and test the “Cool Annealing Payload Satellite (CAPSat)” that will perform in-orbit tests and annealing of single-photon detectors based on silicon avalanche photo diodes.
The Cool Annealing Payload Satellite (CAPSat) deploying from the robotic arm of the International Space Station (ISS) to begin its in-orbit quantum annealing experiments. Photo courtesy of NASA/ISS. See a recording of the deployment.
The photodetector module during the final flight hardware test in the Quantum Photonics Lab at the Institute for Quantum Computing.
Exposure to space radiation damages the ultra-sensitive photodetectors that are onboard quantum communication satellites, making the photodetectors less reliable over time at detecting single photons. This prevents the satellites from performing Quantum Key Distribution (QKD), which guarantees a secure communication channel even against an attack from a hacker. CAPSat aims to study novel approaches to anneal the photodetectors and maintain the satellite’s ability to perform secure QKD without the need for excessive cooling.
One of the biggest challenges was designing the satellite components to fit in the tight dimensions – a mere 10 cm square by 30 cm long, and to operate with low power consumption. IQC research associate Nigar Sultana, who has been working on the detector module for the CAPSat project since it kicked off six years ago, said “everything matters, even the small things like glue.” Although small in size, CAPSat’s potential impact is big; it could provide a very efficient method to mitigate radiation damage of single-photon detectors in orbit.
Canadian principal investigator Thomas Jennewein and Research Associate Nigar Sultana meet with Paul Kwiat and collaborators at the University of Illinois at Urbana-Champaign.
“The deployment of CAPSat demonstrates proof of concept that will pave the way for future quantum communication missions,” said Jennewein.
CAPSat was successfully launched into space on Sunday, August 29 on board the SpaceX Dragon CRS-23 cargo ship, arriving at the ISS. Today at 7:00 EDT, it was deployed in its transport canister from the ISS robotic arm and begins in-orbit quantum annealing experiments. See a recording of CAPSat's launch.
The Waterloo team acknowledges dedicated support by the Canadian Space Agency (FAST program).
Read more: Self-annealing photon detector brings global quantum internet one step closer to feasibility, Illinois Physics
Des détecteurs quantiques seront réparés par laser dans l’espace
Un satellite servant à tester le recuit par laser en orbite a été mis en orbite aujourd’hui à partir de la Station spatiale internationale. Cela constitue une étape importante vers la mise en place de communications quantiques sûres à l’aide de satellites dans un réseau Internet quantique mondial.
Thomas Jennewein, professeur à l’Institut d’informatique quantique (IQC) ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie, et l’équipe de chercheurs du laboratoire de photonique quantique de l’Université de Waterloo ont collaboré avec l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign à la conception, à la réalisation et aux essais du CAPSat (Cool Annealing Payload Satellite – Satellite sympa de recuit) qui effectuera en orbite des tests et le recuit de détecteurs de photons individuels fondés sur des diodes avalanches à photon unique.
Lancement du CAPSat (Cool Annealing Payload Satellite – Satellite sympa de recuit) par le bras robotisé de la Station spatiale internationale (SSI), en vue d’expériences de recuit quantique en orbite. Photo gracieuseté de la NASA et la SSI. Voir une vidéo du lancement.
CAPSat constitue la première tentative d’effectuer en orbite un recuit par laser, afin de réparer les dommages causés par le rayonnement de l’espace. Le recuit par laser consiste à exposer pendant une brève période le détecteur à réparer à un laser brillant. Cela corrige une partie des dommages causés par le rayonnement de l’espace et prolonge la vie utile du détecteur. CAPSat effectue plusieurs fois cette opération en orbite pour traiter les détecteurs pendant qu’ils ne sont pas utilisés activement pour des communications. Avant le lancement de CAPSat, ces tests ont été effectués en laboratoire après une exposition au rayonnement dans un accélérateur de particules, pour simuler l’action du rayonnement et la réparation dans l’espace.
Le module photodétecteur pendant les ultimes tests effectués au laboratoire de photonique quantique à l’Institut d’informatique quantique.
L’exposition au rayonnement de l’espace endommage les photodétecteurs ultrasensibles présents à bord des satellites de communications quantiques. Avec le temps, ces photodétecteurs deviennent moins fiables pour détecter des photons individuels. Cela empêche les satellites d’effectuer la distribution quantique de clés (DQC) qui garantit la sécurité des communications, y compris contre les attaques de pirates. CAPSat vise l’étude de nouvelles méthodes de recuit des photodétecteurs, afin de maintenir la capacité du satellite à effectuer une DQC sûre sans exiger un refroidissement excessif.
L’un des plus grands défis consistait à concevoir les composantes du satellite de manière à ce qu’elles entrent dans un volume réduit — 10 cm × 10 cm × 30 cm — et fonctionnent en consommant peu d’énergie. Nigar Sultana, assistante de recherche à l'IQC, qui travaille sur le module de détection du CAPSat depuis le début du projet il y a 6 ans, a déclaré : « Chaque chose compte, dit-elle, même les petits détails comme la colle utilisée. » [traduction] Malgré sa petite taille, CAPSat a un immense potentiel. Il pourrait fournir un moyen très efficace d’atténuer les dommages causés par le rayonnement aux détecteurs de photons individuels à bord de satellites en orbite.
Le chercheur principal au Canada, Thomas Jennewein, et l’assistante de recherche Nigar Sultana rencontrent Paul Kwiat et ses collaborateurs à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.
M. Jennewein a déclaré : « Le déploiement de CAPSat constitue une démonstration de faisabilité qui ouvrira la voie à de futures missions de communication quantique. » [traduction]
CAPSat a été lancé avec succès le dimanche 29 août, à bord du vaisseau cargo Dragon CRS-23 de SpaceX, et est arrivé à la SSI. Aujourd’hui, à 7 h, heure de l’Est, il a été lancé dans sa cartouche de transport par le bras robotisé de la SSI, et il commence ses expériences de recuit quantique en orbite. Voir une vidéo du lancement de CAPSat.
L’équipe de l’Université de Waterloo remercie l’Agence spatiale canadienne (programme VITES) de son soutien.
Lecture complémentaires : Self-annealing photon detector brings global quantum internet one step closer to feasibility (Le recuit automatisé de détecteurs de photons accroît la faisabilité d’un réseau Internet quantique mondial), Illinois Physics.