211service.com
Hvordan Kina bygde en enkeltfotondetektor som fungerer i verdensrommet
Et bilde av nattehimmelen over Kina. Unsplash / Gregory Hayes
En av de nye bruksområdene for enkeltfotoner er å pakke dem med kvanteinformasjon og sende dem til et annet sted. Denne teknikken, kjent som kvantekommunikasjon, utnytter fysikkens lover for å sikre at informasjonen ikke kan leses av noen avlytter.
En utfordring er å finne måter å sende denne kvanteinformasjonen rundt i verden. Det er vanskelig fordi informasjonen er skjør - enhver interaksjon mellom fotonene og deres miljø ødelegger den. Fotoner kan ikke reise mer enn hundre kilometer eller så gjennom atmosfæren eller gjennom optiske fibre uten at kvanteinformasjonen de bærer blir ødelagt.
Så kinesiske fysikere har kommet opp med en løsning: stråle fotonene til en satellitt i bane, som videresender dem til et annet sted på jordens overflate. På denne måten kan den ubehagelige passasjen gjennom atmosfæren minimeres. Hvis fotoner sendes fra bakkestasjoner i stor høyde, går deres reise for det meste gjennom vakuumet i det tomme rommet.
Men det er et problem. Kvantekommunikasjon krever detektorer som kan oppdage og måle enkeltfotoner. De siste årene har fysikere designet og bygget stadig mer sensitive enheter som kan gjøre dette.
Imidlertid gjør denne følsomheten dem sårbare for enhver form for bakgrunnsstøy, som kan overvelde signalet fra selve fotonene. Og rommet er fylt med uønsket støy i form av høyenergipartikler, ekstreme temperaturer og fremmedlys fra kilder som solen.
Å bygge enkeltfotondetektorer som kan operere i dette miljøet er en betydelig utfordring. Så det er ingen overraskelse at fysikere har klø seg i hodet over dette problemet en stund.
I dag sier Meng Yang og kolleger ved University of Science and Technology of China i Hefei at de har løst problemet. De har til og med testet maskinen deres de siste to årene på en satellitt i bane og sier at den fungerer bra.
Teamets detektor utnytter et fenomen kjent som skredsammenbrudd, som oppstår i halvlederbrikker under spesielle omstendigheter. En halvleder som silisium leder elektrisk strøm i form av frie elektroner og hull som kan bevege seg gjennom materialgitteret under påvirkning av et elektrisk felt.
Under normale omstendigheter er disse ladningsbærerne bundet til gitteret og kan derfor ikke bevege seg. Under disse omstendighetene fungerer materialet som en isolator.
Men hvis et elektron blir satt fri, kanskje av termiske svingninger eller et spark fra et innfallende foton, kan det reise gjennom strukturen og skape en strøm. Under disse omstendighetene blir materialet en leder
Selvfølgelig skaper et enkelt elektron som frigjøres på denne måten en liten strøm som er vanskelig å oppdage. Så trikset med snøskred er å sette opp en spenning som raskt akselererer et fritt elektron til høye nok hastigheter til å slå andre ledende elektroner fri. Dette skaper en kjedereaksjon – et snøskred – som resulterer i en mye større og lettere påviselig strøm.
De siste årene har fysikere gjort disse enhetene så følsomme at et enkelt foton med en bestemt bølgelengde kan utløse denne typen snøskred. Resultatet er en enkeltfotondetektor som er i stand til å oppdage de fleste fotonene som treffer den.
Imidlertid har denne følsomheten en pris. Det er lett å se hvordan en høyenergipartikkel kan rive gjennom en silisiumfotodiode, sparke ut elektroner og utløse et snøskred. Og i verdensrommet skaper denne typen effekt så mye bakgrunnsstøy - kalt en mørk tellefrekvens - at den oversvømmer signalet fra fotonene fysikere håper å måle.
Så oppgaven for Yang og co var å finne måter å beskytte og forbedre ytelsen til kommersielle hyllevare enkeltfotondetektorer slik at de kan operere i verdensrommet.
Den første løsningen deres var enkel – omgir detektoren med skjerming som blokkerer høyenergipartikler. Dette er en delikat balansegang fordi skjerming er tung og dermed kostbar å sette i bane. Samspillet mellom skjermingen og høyenergipartiklene kan også skape byger av sekundære partikler som gjør at mørkehastigheten teller enda verre.
Yang og co nøyde seg til slutt med et skjold bestående av to lag. Det ytre laget er 12 millimeter ark av aluminium, og det indre laget er et 4 mm ark av det mye tettere og tyngre elementet tantal. Det resulterende skjoldet reduserer stråledosen med en faktor på 2,5.
Denne skjermingen fungerer også som en termisk isolator, som lar teamet avkjøle detektorene til -15 °C. Dette reduserer også mørketall ved å minimere termiske svingninger i silisiumdetektoren.
Til slutt utviklet teamet elektroniske drivere som slår av detektorene i perioder når de er sårbare for bakgrunnsstøy, en teknikk kjent som etterpulserende motstand.
Effekten av alle disse tilnærmingene var betydelig. For ubeskyttede enkeltfoton-detektorer er den forventede mørketellingen over 200 tellinger per sekund. Dette er for høyt for kvantekommunikasjon i rommet.
Imidlertid har de modifiserte detektorene en mørketelling på bare 0,54 tellinger per sekund. Det er to størrelsesordener bedre.
I 2016 lanserte Yang og co sine detektorer ombord på den kinesiske Micius-satellitten, en kvanteteknologidemonstrator som har skapt en imponerende serie med gjennombrudd. For eksempel var detektorene en nøkkelkomponent i teleportering av det første objektet fra jorden til bane – et enkelt foton i 2017. Satellitten muliggjorde også den første kvantekrypterte videosamtalen mellom kontinenter.
Disse eksperimentene har satt scenen for en ny generasjon rombasert kvantekommunikasjon. Våre enkeltfotondetektorer åpner nye vinduer med muligheter for romforskning og applikasjoner innen optisk kommunikasjon i dypt rom, enkeltfotonlaseravstand, så vel som for å teste de grunnleggende prinsippene for fysikk i rommet, sier Yang og co.
I mellomtiden har resten av kvantefysikkverdenen sett på med misunnelse. Kina har en klar ledelse innen rombasert kvantekommunikasjon, om enn med hjelp fra europeiske forskere på nøkkelområder.
Europa jobber med en kretsende kvanteteknologidemonstrator kalt Security and Cryptographic mission, eller SAGA. Dette er en del av en mye større plan for å skape et kvantekommunikasjonsnettverk over hele kontinentet. Det er imidlertid ikke satt noen lanseringsdato.
Derimot har USAs planer stoppet opp. I 2012 startet det militærteknologiske forskningsbyrået DARPA et program kalt Quiness for å teste kvantekommunikasjonsteknologier i verdensrommet. Men programmet – og feltet generelt – har lidd under en alvorlig mangel på finansiering.
Et viktig spørsmål nå er hvordan resten av verden, spesielt USA, planlegger å ta igjen.
Ref: arxiv.org/abs/1910.08161 : Rombåren, lite støy, enkeltfotodeteksjon for satellittbasert kvantekommunikasjon