Uzay, muazzam bir veri sorununu beraberinde getiriyor. Dünya yörüngesindeki birçok uydu, topladığı ham veriyi yer istasyonlarına göndermekte zorlanıyor. İletim bant genişliği ve uydu ile yer istasyonları arasındaki iletişim sıklığı gibi faktörler bu süreci kısıtlıyor. Bu soruna olası bir çözüm, ham veriyi doğrudan uydu üzerinde işlemek olabilir. İşte bu noktada, Viyana Üniversitesi'nden Philip Walther liderliğindeki bir fizikçi ekibi, bu sorunu çözmek için cüretkar bir yöntem gösterdi: Uzayda ilk kez bir kuantum işlemci çalıştırıldı.
Ancak bu başarıya ulaşmak pek de kolay olmadı. Kuantum bilgisayarlar oldukça hassas cihazlardır. Kullandıkları kuantum durumları, çevrelerindeki en ufak bir değişikliğe karşı bile olağanüstü derecede duyarlıdır. Isı, titreşim, elektromanyetik parazit ve diğer rahatsızlıklar bu durumları bozarak hatalara yol açabilir veya bilgisayarın çalışması için gerekli olan kuantum davranışını yok edebilir. Bu durum, en steril laboratuvar koşullarında bile zorlayıcıyken, uzay gibi çok daha zorlu bir ortamda bu başarıyı elde etmek neredeyse imkansız gibi görünüyordu.
Walther ve ekibinin geliştirdiği işlemci, kuantum bilgisini taşımak için ışık parçacıkları olan fotonları kullanıyor. İşlemcinin kalbinde, fotonları çiftler halinde üreten ve bunları küçük bir cam çip üzerine kazınmış programlanabilir bir optik yol ağına besleyen bir kaynak bulunuyor. İşlemcinin kuantum davranışlarından yararlanabilmesi için, bu fotonların birbirlerinden ayırt edilemez olması gerekiyor. Dalga boyu, polarizasyon veya varış zamanı gibi özelliklerdeki en ufak farklılıklar bile onları ayırt edilebilir hale getirebilir ve hesaplamanın dayandığı girişimi bozabilir. Tüm bunlar, Dünya'nın atmosferi dışındaki yüksek radyasyonlu ortamda ve saatte 28.000 kilometrelik hızla yörüngede dönen bir uyduda başarıldı. Üstelik roket fırlatmasının yarattığı muazzam mekanik strese dayanmak zorundaydı.
Bu zorlukların üstesinden gelmenin tek yolu, her birini tek tek ele almaktı. İlk adım olarak roket fırlatması ele alındı. Roket fırlatması, hassas optik bir cihazı taşımak için oldukça zorlu bir süreçtir. Cihaz, güçlendirilmiş devasa bir malzemenin üzerine sabitlenir ve Dünya atmosferinden hızla geçerek yörünge hızına ulaşır. En dayanıklı süspansiyon sistemi bile bu şiddetli titreşimleri tamamen engelleyemezdi. Bu nedenle, en iyi çözüm cihaza ekstra dayanıklılık kazandırmaktı. Araştırmacılar, en hassas bileşenleri sağlam titanyum taban plakalarına monte ettiler ve cam fotonik çipe giren çıkan hassas optik fiberleri epoksi ile güçlendirdiler. Temel olarak, titrememesi gereken her şey sağlam bir şekilde yerine yapıştırıldı.
Fırlatmadan önce prototipler, roket yolculuğunun vereceği zararı taklit etmek üzere tasarlanmış titreşim ve şok testlerine tabi tutuldu. Bir rezonans frekansında, şok tepkisi gereksinimi Dünya'nın yerçekiminin yaklaşık 1.500 katına ulaştı. Sonuçlar başarılı oldu: Optik bileşenler performanslarında ölçülebilir bir bozulma olmadan çıktı. 23 Haziran 2025'te bilgisayar, bir Falcon 9 roketiyle yaklaşık 510 kilometre irtifaya alçak Dünya yörüngesine gönderildi. Ancak asıl sorunlar bundan sonra başladı.
Fırlatılan cihazda, fotonik devreden çıkan fotonları algılayan altı adet silikon tek fotonlu akış diyotu (SPAD) bulunuyordu. Ancak bunlardan sadece üçü kullanılabilir durumdaydı. Ardından güneş etkisi devreye girdi. Kalan foton dedektörleri o kadar hassastı ki, güneş ışığı güçlü ve değişken bir arka plan sinyali oluşturarak araştırmacıların yapmak istediği hassas ölçümleri gölgeliyordu. Neyse ki uydu, yörüngesinin tamamını güneş ışığında geçirmedi. Yaklaşık her 92 dakikada bir Dünya'nın gölgesine girdiğinde, arka plan gürültüsü önemli ölçüde azalıyordu. Bu durum, ekibe en hassas ölçümlerini almak için her yörüngede yaklaşık 30 dakikalık bir pencere sağlıyordu.
Bu gelişme iyiydi, ancak Dünya'nın gölgesi güneş sorununu çözse de, alçak Dünya yörüngesindeki radyasyon ortamının (Van Allen kuşakları içinde hapsolmuş enerjik proton ve elektronların yoğunlaşması) etkilerine karşı pek bir şey yapamıyordu. Araştırmacılar bunu da öngörmüş ve uydu yükünü bir santimetre kalınlığında uzay sınıfı alüminyum ile kaplamışlardı. Bu, elektronlara karşı oldukça iyi çalıştı, ancak protonları ağır bir ağırlık eklemeden engellemek çok daha zordu. Beklendiği gibi, hayatta kalan foton dedektörleri bozulmaya başladı. Yörüngede 52 gün geçirdikten sonra, karanlık sayım oranları (hiç foton gelmediğinde bile yanlış algılamalar) belirgin şekilde arttı. Araştırmacılar, dedektörlere sağlanan voltajı ayarlayarak buna uyum sağlayabildiler ve kaybolan sinyalin bir kısmını geri kazandılar.
Ancak ardından lazer sorunu ortaya çıktı. Ekip, uzayın mekanik ve termal zorluklarına dayanacak şekilde modifiye edilmiş ticari bir lazer kullanmıştı. Muhafaza, sıcaklık değişimlerinde çok az genleşen bir alaşım olan altın kaplama Kovar'dan yapılmıştı. Ancak derinlerde, uzay koşullarına pek uygun olmayan bir yapıştırıcı vardı. Vakumda, yapıştırıcı gaz salmaya başladı ve yakındaki optik bileşenler üzerinde karbon zengini bir film birikmesine neden oldu. Testlerde, bu kirlilik bir hafta içinde lazerin çıkış gücünün yaklaşık 20 miliwatt'tan sadece 4 miliwatt'a düşmesine yol açtı. Bilim insanları sorunu belirlediklerinde ise, uçuş modeli zaten rokete entegre edilmişti. Yapıştırıcıyı değiştirme veya kirlenmiş optikleri temizleme fırsatı kalmamıştı. Ve testlerin öngördüğü gibi, lazerin gücü uzaydaki çalışması sırasında düşmeye devam etti, bu da radyasyondan etkilenmiş dedektörlerden gelen sinyalin azalmasını daha da kötüleştirdi.
Tüm bu büyük aksiliklere rağmen, bir şekilde bu karmaşık cihazı çalıştırmayı başardılar. Kuantum işlemlerini gerçekleştirmek için, enstrümanın devrelerinden geçen fotonların ayırt edilemez olması gerekiyor. Eğer bu tür iki foton aynı anda aynı optik kavşağın zıt taraflarına gönderilirse, belirgin bir kuantum olayı meydana gelir. Her biri kendi yolunu izlemek yerine, iki foton birbirleriyle etkileşime girerek birlikte çıkma eğilimi gösterir. Bu, fizikçilerin Hong-Ou-Mandel dipi olarak adlandırdığı bir olgu yaratır: fotonlar birbirine benzedikçe, dedektörlerin onları ayrı ayrı yakalama sayısı aniden düşer.
Araştırmacılar tam olarak bunu uzayda gözlemlediler. Test etmek için, foton çiftlerini üreten kristalin sıcaklığını kademeli olarak değiştirdiler. Bu, fotonların dalga boylarını değiştirerek, ekibin spektrumlarını eşleştirecek ve onları ayırt edilemez hale getirecek şekilde ayarlamasına olanak sağladı. Yerde yapılan testlerden, bu ideal noktanın yaklaşık 32,5 santigrat derece civarında olması gerektiğini biliyorlardı. Gerçekten de, neredeyse tam olarak o sıcaklıkta, çakışma oranı düştü ve net bir Hong-Ou-Mandel dipi oluştu. Görünürlüğü (temel olarak fotonların ne kadar güçlü etkileşime girdiğinin bir ölçüsü) 0,908 olarak ölçüldü. Bu, klasik limit olan 0,5'in üzerindeydi. Araştırmacılar, bu dipi bağımsız olarak iki farklı günde tekrarladılar ve işlemciyi bilinçli olarak bu etkiyi yaratmaması gereken bir duruma yeniden yapılandırdıklarında dip kayboldu.
Teknik sorunlara rağmen, ekibin enstrümanı fotonik kuantum hesaplamanın dayandığı klasik olmayan girişimi üretiyor ve manipüle ediyordu. Uydu verilerini işleyebilir mi? Henüz değil. Ancak bu işlemci, araştırmacıların tasarımlarını iyileştirmelerine ve yörünge ortamı için daha sağlam enstrümanlar inşa etmelerine olanak tanıyacak kritik bir test niteliği taşıyor. Araştırmacılar, yaptıkları çalışmanın, veri sınıflandırması ve sıkıştırmayı doğrudan fotonik donanımda gerçekleştirmeye yönelik ilk adım olduğunu ve sadece çıkarım ürününün yere gönderilmesini sağlayacağını belirtiyorlar. Bu ilerleme, yörüngedeki işlemcileri, yer ile uydular arasında zaten kurulmuş olan kuantum bağlantılarının doğal bir tamamlayıcısı haline getirecek. Düğümler ve kanallar birlikte, küresel kapsama alanına ve düşük gecikmeli erişime sahip dağıtılmış bir mimari tanımlayacak. Bu sayede kuantum hesaplama, artık kontrollü laboratuvar ortamlarıyla sınırlı kalmayacak, ağ genelinde ölçeklendirilerek dağıtılacaktır.
