For The First Time, a Quantum Computer Has Operated in Space

By MICHELLE STARR

太空卫星数据难点及研究成果

太空存在巨大的数据难题。

环绕地球的许多卫星几乎一直在采集原始数据，但下行带宽、卫星与地面接收站的通信频次限制，阻碍了这些数据传回地面。

该问题的一种可行解决方案，就是直接在卫星上完成原始数据处理。

如今，由维也纳大学菲利普・瓦尔特（Philip Walther）带领的一组物理学家，展示了一项大胆的实现方案。

量子计算机十分娇贵。

其赖以工作的量子态对环境极其敏感。

热量、振动、电磁干扰以及其他扰动，都会破坏量子态，引发计算错误，或是摧毁量子计算机运转所必需的量子效应。

即便在条件最纯净的实验室环境下，想要稳定实现都很困难。

可想而知，太空环境要严苛得多。

瓦尔特团队研发的这款处理器利用光粒子 —— 光子，来承载量子信息。

光子量子处理器的工作机制

它的核心装置可以生成光子对，并将光子送入蚀刻在微型玻璃芯片上、可编程的光路网络。

想要依靠光子实现量子运算，这些光子必须是不可区分的。

光子的到达时间、偏振、波长等属性哪怕存在极微小差异，都能让光子被区分开，破坏运算所依赖的干涉效应。

而这套装置要在时速约 2.8 万公里（17400 英里）、环绕地球高速飞行的卫星上完成上述工作，还要直面未经大气层过滤的强烈太阳辐射；在此之前，它还必须扛住火箭发射带来的巨大机械应力。

团队只能逐个攻克难题，首要难关就是火箭发射。

团队量子计算平台示意图（施泰纳等人，arXiv 预印本，2026）

火箭发射对于精密光学设备而言堪称严酷的运输过程：仪器被固定在巨型重型筒状加固载体上，穿越大气层加速至轨道速度。

即便采用最强的减震结构，设备依然会经历剧烈震颤。

因此最佳思路是加固仪器本身。

研究人员把最精密的元器件安装在坚固的钛合金基板上；进出光子玻璃芯片的脆弱光纤，用环氧树脂加固。

简单来说，所有绝对不能晃动、却容易抖动的部件，都被牢牢粘固。

发射前工程攻关:抗振动加固与地面测试

发射前，原型机接受振动与冲击试验，模拟火箭飞行过程中的恶劣载荷。

在某一共振频率下，冲击载荷可达约 1500 倍地球重力。

测试成功。

光学器件完成试验后，性能未出现可检测的衰减。

2025 年 6 月 23 日，这台量子计算机由猎鹰 9 号火箭送入约 510 公里高度的近地轨道。

然而火箭发射，还只是它遇到的最小麻烦。

太空版量子计算单元（施泰纳等人，arXiv 预印本，2026）

入轨之后，故障几乎接踵而至

设备搭载了 6 枚硅单光子雪崩二极管（SPAD），用来探测光子电路输出的光子，是实验的核心部件。

但入轨后仅有 3 枚还能正常使用。

接下来，太阳带来了新麻烦。

剩余光子探测器灵敏度极高，太阳光会产生强烈且剧烈波动的背景噪声，淹没研究人员想要采集的微弱测量信号。

好在卫星不会全程处在日照区。

每 92 分钟左右，卫星会进入地球阴影区，此时背景噪声大幅下降。

这意味着每一圈轨道，团队有约 30 分钟窗口开展高灵敏度测量。

暂时稳住了局面。

地球阴影解决了日光干扰，却无法规避近地轨道的辐射环境 —— 范艾伦辐射带内大量高能质子与电子。

研究团队对此早有预判，给载荷包裹了 1 厘米厚航空级铝制屏蔽层。

屏蔽层对电子防护效果不错，但想要阻挡质子，就需要大幅增加重量，工程上很难实现。

果不其然，幸存的光子探测器性能开始衰减。

在轨 52 天后，暗计数率（无光子入射时产生的误探测信号）明显上升。

研究人员通过调整探测器供电电压进行补偿，挽回了一部分信号。

而后激光部件又出问题。

团队采用商用激光器改造，使其能够承受太空环境下的机械冲击与温度剧变。

激光器外壳选用镀金可伐合金，这种合金一大特点是温度变化时形变极小。

但激光器内部的粘合剂，并不完全适配太空环境。

真空环境下，粘合剂发生放气效应，释放分子并在周边光学元件表面形成富碳薄膜污染。

地面测试显示，一周之内，污染会让激光输出功率从约 20 毫瓦骤降至仅 4 毫瓦。

然而，科研人员发现这个隐患时，飞行样机已经集成到猎鹰 9 火箭上。

为时已晚。

再也没有机会更换粘合剂或清洁被污染的光学器件。

正如地面测试预判，在轨运行期间激光输出持续衰减，叠加探测器受辐射损伤带来的信号减弱。

尽管接连遭遇重大故障，这套装置最终还是成功运行了。

在轨核心实验

想要完成量子运算，在光路中传播的光子必须满足不可区分条件。

当两个这类光子从同一光学结点两侧同时入射，就会出现典型的量子效应。

两个光子不会各自沿不同路径穿过结点，而是发生量子干涉，倾向于成对输出。

这就产生了物理学家所说的洪 - 欧 - 曼德尔凹陷（Hong–Ou–Mandel dip）：光子相似度越高，探测器单独捕捉到两个光子的概率就会骤降。

而研究团队在轨观测到了这一现象。

为验证效应，研究人员逐步改变产生光子对的晶体温度，以此调整光子波长，直到光谱匹配、光子变得不可区分。

地面测试已知，最佳匹配点在约 32.5 摄氏度。

在轨实验中，几乎就在该温度下，符合计数率急剧下降，观测到清晰的洪 - 欧 - 曼德尔凹陷。

晶体温度达到约 32.5℃时，光子探测出现标志性凹陷，证实卫星上产生了量子干涉。

（施泰纳等人，arXiv 预印本，2026）

干涉可见度（衡量光子干涉强度指标）达到 0.908，高于经典极限 0.5；虽然测量存在不小不确定性，但结果超出阈值 2.14 倍标准差。

研究人员还在两个不同日期独立复现该凹陷；当刻意将处理器调至无法产生该效应的状态时，凹陷随之消失。

研究意义

尽管存在各类技术故障，这套设备依然能够生成并操控光子量子计算赖以实现的非经典干涉。

它目前还完全不能处理卫星采集的数据。

但这次处理器在轨实验是关键验证，帮助科研人员迭代设计，打造适配轨道环境、稳定性更强的设备。