Кубсат, который выжил
Прохладным вечером 28 октября 2014 года ракета-носитель Antares плавно оторвалась от стартового стола. По плану она должна была доставить на МКС частный транспортный корабль Cygnus и пару десятков исследовательских кубсатов. К сожалению, этот осенний вечер выдался на редкость жарким: через пятнадцать секунд после старта в районе маршевых двигателей ракеты произошел взрыв.
Позже комиссия установит, что причиной аварии стало разрушение турбонасосного агрегата первого двигателя, что привело к взрыву и повреждению второго двигателя. Потерявшая тягу ракета с полными баками топлива рухнула на стартовый стол. Обломки того, что еще минуту назад было перспективным транспортным кораблем, теперь разлетались по атлантическому побережью.
Пожар на земле продолжался более часа и надолго вывел из строя стартовый комплекс. Тяжелыми были последствия и для компании Orbital ATK: следующий Cygnus удалось запустить лишь через год, причем в качестве носителя пришлось использовать Атлас-5. Ракете Antares повезло еще меньше: многострадальные двигатели AJ-26 (а проблем с ними хватало еще на испытаниях) было решено заменить на более современные РД-181, из-за чего полеты пришлось отложить почти на два года.
Но нет худа без добра. Среди обломков, найденных на побережье, удалось обнаружить практически неповрежденным один из кубсатов — GomX-2. Несмотря на маленькие размеры, одна из задач этого спутника была весьма авантюрной: проложить дорогу в космос для квантовой криптографии. Разработчики (научная группа из Сингапура) хотели проверить, реальна ли работа источника запутанных фотонов в космосе. Эксперимент должен был стать пионерским, поэтому отправлять запутанные фотоны на Землю или на другие спутники не предполагалось. Тем не менее, устройство получилось не из простых: на спутнике были установлены:
- источник запутанных фотонов;
- схема для измерения степени запутанности (при помощи лавинных фотодиодов);
- источник высокого напряжения для фотодиодов;
- система термостабилизации всей оптики;
- наконец, не самая простая электроника, управляющую всем этим.
И все это — на плате размером 10 на 10 сантиметров и массой всего лишь 250 грамм!
То, что такому нафаршированному спутнику удалось выжить при взрыве ракеты, похоже на чудо. Судя по всему, свою роль в этом сыграли три фактора. Прежде всего, ракета упала на стартовый стол почти вертикально, поэтому полезной нагрузке удалось избежать очага пожара — ее подбросило и раскидало в стороны взрывной волной. Это подтверждает и то, что на найденном спутнике остались целыми хомуты, которые должны были расплавиться уже при 144°С.
Вторая причина в том, что все кубсаты планировалось запускать с борта МКС. Делается это при помощи вот такой пусковой установки:
Пусковую установку заряжают вручную внутри МКС, и по этой причине все кубсаты находились внутри грузового корабля. По-видимому, корпус Cygnus сыграл для спутников спасительную роль — в точности как холодильник для Индианы Джонса, пытающегося убежать от ядерного взрыва.
Наконец, разработчики спутника ответственно подошли к креплению оптики. Каждый элемент располагался в небольшом углублении, выточенном в цельном куске алюминия, и заливался эпоксидной смолой.
Некоторые оптические элементы были очень чувствительны к поворотам, и их пришлось устанавливать чуть хитрее. Сначала их закрепляли на микрометрическом столике и юстировали, после этого заливали эпоксидкой. Когда она полностью застывала, юстировочный столик убирали.
Основное применение источника запутанных фотонов — квантовое распределение ключа по протоколу Экерта (детали — под спойлером). Давайте разберемся, как же он устроен на спутнике.
Суть протокола Экерта в следующем: источник генерирует пары фотонов, один из которых отсылается Алисе, второй — Бобу. Фотоны в паре поляризационно запутаны: их поляризации совпадают, но какие они именно, нам неизвестно.
У Алисы и Боба есть по поляризатору, который пропускает фотоны, поляризованные вертикально, и отражает поляризованные горизонтально (в своей системе отсчета). Его можно устанавливать в одну из трех заранее выбранных позиций. Собственно, Алиса и Боб именно этим весь фильм и занимаются: для каждого пришедшего фотона они случайно устанавливают поляризатор в одну из трех позиций. А после множества фотонов созваниваются и говорят друг другу, как был установлен поляризатор для каждого из фотонов.
Если поляризаторы были установлены одинаково, то и запутанные фотоны поведут себя на них одинаковым образом (либо пройдут через поляризатор, либо отразятся). Как повели себя фотоны, известно и Алисе, и Бобу — и больше никому. Поэтому эти результаты можно использовать в качестве битов секретного ключа.
Зачем же тогда вращать поляризаторы? Дело в том, что их несовпадающие положения позволяют Алисе и Бобу проверить неравенства Белла (они, как известно, нарушаются в нашем квантовом мире). Но если в канале связи появится Ева и начнет читать или подменять фотоны, то от запутанности не останется и следа, а неравенства Белла будут выполнены. Это будет признаком того, что канал связи скомпрометирован.
Пары запутанных фотонов обычно получают в спонтанном параметрическом процессе, где один фотон расщепляется на два со вдвое меньшей энергией (и, соответственно, вдвое большей длиной волны) и запутанностью по одному из параметров (например, по поляризации). Происходит это в хитрых нелинейных кристаллах и выглядит примерно так (пары фотонов показаны зеленым):
На картинке пара фотонов разлетается в разные стороны, но она может распространяться и вдоль основного луча. Вообще говоря, вероятность генерации пары мала. Но это не баг, а фича: пары фотонов генерируются не очень часто и не перемешиваются друг с другом; не возникает проблем в духе «из какой же пары этот фотон?». Теперь давайте посмотрим, как выглядит оптика на GomX-2:
Здесь лазерный диод LD с длиной волны излучения 405 нм (фиолетовый) генерирует пары фотонов в кристалле BBO. Фотоны в паре получаются с разными длинами волн — 760 и 867 нм, но на запутанность это не влияет. Цветные фильтры LP убирают засветку от фиолетового лазера, а зеркало GM поворачивает пару фотонов вниз, в сторону детекторов.
Следующая часть — измерение запутанности. По сути, проверка того, совпадают ли поляризации фотонов при разных ориентациях поляризаторов. На оптической схеме это нижняя часть: зеркало DM отражает один фотон и пропускает другой; после этого каждый из фотонов попадает на вращающийся поляризатор LC-PBS, а затем — на лавинный фотодиод APD.
Суть эксперимента состоит в том, что для разных ориентаций поляризаторов считается количество совпадений — то есть событий, когда два фотодиода одновременно детектируют по фотону. Оно должно быть максимальным, когда поляризаторы повернуты на один и тот же угол, и минимальным, когда они перпендикулярны друг другу. В микроконтроллер кубсата было записано несколько программ экспериментов, каждая длительностью по полчаса. Дольше не получалось: на Солнце спутник нагревается до +26; эксперимент же планировалось проводить при +18.
Пара слов про поляризатор. На самом деле он не вращается: его поляризация изменяется подачей напряжения на ЖК-пластинку LC. Вот эта пластинка и пострадала при взрыве больше всех: мало того, что она хрупкая, так еще и необратимые повреждения в ней происходят уже при 90°С. На графике видно, что точность изменения поляризации ушла в сторону после взрыва (синяя кривая):
При этом сам источник пережил аварию весьма бодро — корреляции остались на высоком уровне. Вместо первого в мире космического источника запутанных фотонов получился первый в мире источник, способный составить конкуренцию Индиане Джонсу.
Жаль, что GomX-2 так и не смог выполнить свою миссию. С другой стороны, тогда конструкторам не удалось бы получить ценнейший опыт, убедиться в высочайшей надежности их детища и добиться еще одной попытки запуска. Второй летный экземпляр отправился в космос в декабре 2015 года на первом сингапурском кубсате GALASSIA.
Эксперимент начался в конце января. Все это время температурный режим кубсата оставался в норме, а фотодиоды, лазер и ЖК-поляризаторы не потеряли своих свойств. Наконец, самое главное: источник действительно генерировал запутанные фотоны. Первый космический эксперимент по квантовой оптике закончился феноменальным успехом.
А еще за это время на космодроме MARS отремонтировали стартовую площадку. Сейчас заканчиваются испытания ракеты Antares с новыми двигателями. Ее следующий пуск планируется совсем скоро — в этом сентябре. Пожелаем ей счастливого полета.
