Snapshots of IQC
After multiple years of prototyping, testing, and simulating the conditions of outer space in labs at the Institute for Quantum Computing (IQC), Dr. Thomas Jennewein and members of his research group are celebrating their next big milestone — their quantum source is finished and ready to be incorporated into the Quantum Encryption and Science Satellite (QEYSSat). The quantum source, called by the project’s full name, Reference-Frame Independent Quantum Communication for Satellite-Based Networks (ReFQ), is the result of a joint collaboration between Canada and the United Kingdom.
Currently scheduled for launch next year, QEYSSat will carry this small quantum source into space where it will send polarization-encoded photons between itself and ground stations on Earth. ReFQ is a small black box, built to withstand the vibrations of launch and the conditions of space. It has undergone rigorous in-lab testing and is now ready to be shipped to the researchers’ collaborator, Honeywell Aerospace, who is responsible for integrating this source into the main satellite.
"The ReFQ module was developed in an international partnership of researchers in Canada at UWaterloo's IQC and Honeywell, and in UK at CraftProspect, U Strathclyde and U Bristol,” says Jennewein, an IQC faculty member and professor in the Department of Physics and Astronomy. “This quantum source is now sent to Honeywell for integration into the Canadian Space Agency mission QEYSSat, and will serve as a proof of concept for a future global communications network secured by the laws of quantum physics."
QEYSSat will test a communication method known as quantum key distribution, a form of cryptography that shares secret keys using principles of quantum mechanics to ensure these keys remain secure. Among quantum satellites and QKD experiments, theirs is unique and will be Canada’s first quantum satellite. The quantum source will run a reference frame independent quantum communication protocol, which only requires the parties to agree on a single photon polarization basis to be able to extract a quantum key.
“It’s really exciting to see the culmination of this three-year project,” says Dr. Paul Godin, Senior Technologist: Satellite Quantum Communications at IQC. “We went through a breadboard model, engineering model, and finally we have this flight model. Our end-to-end demo has shown that it is working and behaving well. It is a very promising position, the culmination of years of hard work.”
With the restrictions of spaceflight size and weight, ReFQ was initially an engineering puzzle, requiring the researchers to fit all the necessary components into a device smaller than 10 x 10 x 4.8 cm cubed, and under 600 grams.
ReFQ has now undergone thorough testing to simulate the conditions it will experience on the satellite. This testing has proved that ReFQ generates quantum keys at the desired rates, even under conditions that are more extreme than those it will experience in outer space.
“We’ve done our best to simulate the conditions of a satellite pass as best we can, and so far, we’ve seen some very nice preliminary results,” says Justin Schrier, a PhD student at IQC and the Department of Physics and Astronomy. “It’s exciting to see things finally working all together.”
Now that the quantum source has been shipped to Honeywell, the researchers will be turning their attention to finalizing the ground stations both at IQC and at the University of Calgary. Once the satellite has launched, these ground stations need to be ready to communicate with QEYSSat from the comfort of planet Earth.
Des sources quantiques pour les missions satellite
Récapitulatif de l’IQC
Après des années de prototypes, d’essais et de simulation des conditions spatiales dans les laboratoires de l’Institut d’informatique quantique (IQC), Thomas Jennewein, Ph. D., et des membres de son groupe de recherche ont franchi un nouveau pas de géant : leur source quantique est fin prête à être intégrée au Quantum Encryption and Science Satellite (QEYSSat). Ce projet et la source quantique en résultant, appelés Reference-Frame Independent Quantum Communication for Satellite-Based Networks (ReFQ), sont une collaboration entre le Canada et le Royaume-Uni.
Devant être mis en orbite l’an prochain, le QEYSSat emportera dans l’espace cette petite source quantique, qui transmettra des photons codés en polarisation entre ses stations terrestres et elle-même. La ReFQ est une petite boîte noire conçue pour résister aux vibrations du lancement et aux conditions de l’espace. Ayant fait l’objet de rigoureux tests en laboratoire, elle est maintenant en route vers Honeywell Aerospace, partenaire de recherche du projet, qui s’occupera de l’intégrer au satellite principal.
« Le module de la ReFQ a été conçu dans le cadre d’un partenariat de recherche international : l’IQC de l’Université de Waterloo et Honeywell au Canada, et Craft Prospect, l’Université de Strathclyde et l’Université de Bristol au Royaume-Uni, explique M. Jennewein, membre du corps professoral de l’IQC et professeur au Département de physique et d’astronomie. Cette source quantique s’en va maintenant chez Honeywell, où elle sera intégrée au QEYSSat de l’Agence spatiale canadienne. Cette mission servira de démonstration de faisabilité pour un éventuel réseau mondial de communications protégées par les lois de la physique quantique. »
Le QEYSSat mettra à l’essai une méthode de communication appelée distribution quantique de clés, une sorte de cryptographie utilisant des clés secrètes protégées par des principes de mécanique quantique. Unique en son genre, cette expérience produira le tout premier satellite quantique du Canada. La source quantique emploiera un protocole de communication quantique indépendant du cadre de référence; les parties souhaitant extraire une clé quantique n’auront qu’à s’entendre sur la polarisation d’un seul photon.
« C’est si fascinant de voir aboutir ce projet triennal, s’exclame Paul Godin, Ph. D., technologue principal des communications quantiques par satellite à l’IQC. Nous avons produit une maquette fonctionnelle, une maquette d’identification, et maintenant, un modèle de vol. Selon cette démonstration de bout en bout, notre source fonctionne bien et comme prévu. Elle est très prometteuse : le résultat de plusieurs années de travail assidu. »
La navigation spatiale impliquant des contraintes de taille et de poids, la conception de la ReFQ a été un casse-tête d’ingénierie. Les chercheurs ont dû trouver à compacter tout le nécessaire dans un appareil de moins de 10 × 10 × 4,8 cm et de moins de 600 g.
La ReFQ a été soumise à des tests rigoureux simulant les conditions sur le satellite, tests qui ont prouvé que l’appareil générait des clés quantiques à la vitesse désirée, même dans des conditions plus extrêmes que celles qui l’attendent dans l’espace.
« Nous avons fait de notre mieux pour simuler les conditions d’un passage de satellite aussi exactement que possible, et les résultats préliminaires sont jusqu’ici excellents, raconte Justin Schrier, doctorant à l’IQC et au Département de physique et d’astronomie. C’est électrisant d’enfin voir le projet aboutir. »
Maintenant que la source quantique est en route vers Honeywell, les chercheurs portent leur attention sur les derniers préparatifs des stations terrestres à l’IQC et à l’Université de Calgary, qui doivent être prêtes à communiquer avec le QEYSSat lorsque ce dernier sera en orbite.