De ruimtevaartindustrie staat voor grote uitdagingen op het gebied van innovatie, veiligheid en duurzaamheid. Een van de mogelijke oplossingen voor deze uitdagingen is het gebruik van quantumcomputing. Een revolutionaire technologie die de grenzen van de traditionele informatica verlegt. In de vorige editie van TW (TW06) schreven we over de Nederlandse ambities in de ruimtevaartindustrie. In dit artikel zullen we zoeken naar het kruispunt tussen quantumcomputing en de ruimtevaartindustrie. En welke mogelijke route daaruit voortkomt. We zullen enkele voorbeelden geven van lopende projecten en toekomstige toepassingen van quantumcomputing in de ruimtevaartsector.
Kwantumverstrengeling
De kruising van quantum computing met de ruimtevaartindustrie zorgt ervoor dat twee technologieën van de volgende generatie kunnen samensmelten. Met fenomenen als kwantumverstrengeling kunnen kwantumapparaten in de ruimte, zoals satellieten, de volgende fase van kwantumtechnologie mogelijk maken: het kwantuminternet. Volgens quantum computing-bedrijf IonQ’s Chief Scientist Chris Monroe: “Twee praktijkvoorbeelden voor kwantumtechnologie in de ruimte omvatten (a) veilige communicatie, zelfs over meerdere knooppunten, gewaarborgd door de wetten van de kwantumfysica, en (b) gedistribueerde sensoren die bepaalde hoeveelheden kunnen meten met zeer weinig ruis. In beide gevallen zouden de communicatiekanalen kwantumcomputers op elk knooppunt als repeatercircuits vereisen, waardoor de noodzaak voor kleine lichtgewicht kwantumcomputersystemen wordt vermeden.”
Momenteel maken de kwantumsatellieten die worden ontwikkeld gebruik van QKD (Quantum Key Distribution). Hierbij wordt een set sleutels gedeeld tussen de ontvanger en de afzender. Dit zorgt voor een veiligere verbinding. Toekomstige satellietprojecten hopen kwantumverstrengeling te gebruiken om een nog veiligere en snellere verbinding te creëren. Volgens een Forbes-artikel uit 2022: “De kwantumverstrengelde link maakt de teleportatie van informatie met de snelheid van het licht mogelijk, maar betekent ook dat elke poging om het signaal te onderscheppen de link onmiddellijk verbreekt, waardoor hacken onmogelijk wordt.” Deze veiligere koppelingen kunnen veel verschillende industrieën transformeren. Voormalig NASA-raketwetenschapper Olympia LePoint legde uit dat “we hoogstwaarschijnlijk satellieten zullen zien die zijn omgebouwd om Quantum Communications te benutten om bijvoorbeeld bankgegevens, ziekenhuisgegevens of overheidsarchieven te delen.” Hoewel deze verstrengelde verbindingen baanbrekend kunnen zijn, zijn ze lastig te onderhouden, omdat kwantumverstrengeling vrij fragiel is. Zoals je in de volgende secties zult zien, werken veel landen eraan om kwantumverstrengelde verbindingen in de ruimte tot stand te brengen, alleen met behulp van verschillende methoden.
China’s race naar de ruimte
China werd de eerste die een QKD-satelliet naar de ruimte stuurde. De satelliet, Micius genaamd, werd in 2016 gelanceerd en kon zichzelf verbinden met grondstations op meer dan 1200 km van elkaar. In juli 2022 lanceerde China een tweede QKD-satelliet die ongeveer een zesde van Micius weegt. “Volgens Science Daily heeft het Chinese Tiangong 2 Space Lab in augustus kwantumcoderingssleutels verzonden naar vier grondstations die kwantumsleutels kunnen ontvangen van de Micius-satelliet die in een baan om de aarde vliegt. Hierbij wordt het ruimtestation dus als repeater gebruikt,” aldus het Forbes-artikel. Terwijl China eraan werkt om vooruit te komen in de kwantumrace, kunnen deze twee satellieten hen een mogelijk voordeel geven.
Europa’s (Het Europees Ruimteagentschap) ruimtevaartindustrie
Om niet te worden overtroffen door China, heeft de European Space Agency (ESA) zijn eigen plannen aangekondigd om tegen 2024 een QKD-satelliet te lanceren. Het systeem, Eagle-1 genaamd, zal de eerste drie jaar na de lancering in een baan om de aarde doorbrengen om diagnostiek op de technologie uit te voeren. De eigenlijke satelliet wordt geleverd door het Italiaanse bedrijf SITAEL, terwijl het in Duitsland gevestigde Tesat Spacecom de QKD-payload levert. De satelliet zal worden beheerd door SES S.A., een Frans-Luxemburgs telecommunicatiebedrijf. “Europese veiligheid en soevereiniteit in een toekomstige wereld van quantum computing zijn van cruciaal belang voor het succes van Europa en zijn lidstaten”, legt de Ceo van SES SA, Steve Collar, uit. Hij voegde eraan toe dat het plan is “om kwantumcommunicatie te bevorderen en het Eagle-1-systeem te ontwikkelen om veilige en soevereine Europese netwerken in de toekomst te ondersteunen.” Naast deze drie bedrijven zullen 17 anderen betrokken zijn bij het plan van de ESA om een QKD-satelliet in de ruimte te brengen.
De ruimtevaartindustrie van de VS (NASA)
Terwijl de VS werkt aan zijn eigen QKD-satellieten, richt de National Aeronautics and Space Administration (NASA) zich op het detecteren van verstrengeling in de ruimte. Het project heet SEAQUE (Space Entanglement Annealing Quantum Experiment) en zal kijken of twee fotonen in de ruimte verstrengeld kunnen worden. Volgens de hoofdonderzoeker van SEAQUE, Dr. Paul Kwait van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign: “Het voordeel van het proberen om de verbinding vanuit de ruimte te maken, is dat de intensiteit van het licht in principe afneemt en daarom is het verlies veel minder wanneer dat door de vrije ruimte gaat wanneer we zouden proberen om een signaal door glasvezel te sturen.” De onderzoekers zijn van plan om het SEAQUE-systeem (niet groter dan een melkpak) eind dit jaar te lanceren. Het systeem wordt dan bevestigd aan de buitenkant van het International Space Station (ISS). Daar kunnen de onderzoekers testen op verstrengeling.
“SEAQUE gaat verstrengeling creëren door middel van een proces dat spontane parametrische down-conversie wordt genoemd, waarbij een enkel foton door een niet-lineair kristal gaat en twee dochterfotonen produceert die een lagere energie hebben”, aldus Kwiat. Voor elk foton dat wordt ingevoerd, moet een paar verstrengelde dochterfotonen worden vrijgegeven. De onderzoekers zullen een detector (PEACOCK) gebruiken om het aantal fotonen te tellen dat door de verstrengelde bron wordt gegenereerd. Als het project volgens plan verloopt, zou SEAQUE slechts de eerste in vele fasen zijn die een verstrengeld quantuminternet tot stand brengt.
Deze close up laat een bijzonder gevoelige “Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta”(PEACOQ) detector zien. Hiermee kunnen photons vastgesteld en geteld worden. Credit NASA.
Net als het meten van individuele waterdruppels terwijl het wordt besproeid door een brandslang, is de Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta (PEACOQ) detector in staat om de precieze tijd te meten dat elk foton de detector raakt, binnen 100 biljoenste van een seconde, met een snelheid van 1,5 miljard fotonen per seconde. Geen enkele andere detector heeft dat percentage bereikt.
“Het verzenden van kwantuminformatie over lange afstanden is tot nu toe zeer beperkt geweest,” zei PEACOQ-projectteamlid Ioana Craiciu, een postdoctoraal wetenschapper bij JPL en de hoofdauteur van een studie die deze resultaten beschrijft. “Een nieuwe detectortechnologie zoals de PEACOQ die afzonderlijke fotonen kan meten met een precisie van een fractie van een nanoseconde, maakt het mogelijk om kwantuminformatie met hogere snelheden verder te verzenden.”
De ruimtevaartindustrie helpen bij het ontwikkelen van een quantuminternet
Met verstrengelde verbindingen over lange afstand kunnen gegevens, zoals telescoopbeelden, sneller vanuit de ruimte naar de aarde worden gestuurd. Hierdoor kunnen veel bedrijven en overheden werken aan een overkoepelende structuur voor deze verbindingen, oftewel een quantuminternet. “We zijn dichter bij het ontstaan van het Quantum Internet,” voegde LePoint eraan toe. “We zien dit in NASA’s baanbrekende wetenschap van 2020 door de eerste te zijn die teleportatie over lange afstand creëert. Vervolgens werd in 2021 een team van hologramartsen naar de ruimte ‘geholoporteerd’ om astronauten te bezoeken die aan boord van het International Space Station (ISS) woonden. NASA legt de basis voor het Quantum Internet, dat zal leiden tot kwantumcommunicatie voor hologramcommunicatie en -technologie. Terwijl de ruimtevaartindustrie werkt aan het kwantumvriendelijker maken van de ruimte, zal de rest van de kwantumindustrie ongetwijfeld de vooruitgang volgen, in de hoop de technologie in de toekomst te benutten.
