Hvordan Kina byggede en enkelt-foton detektor, der fungerer i rummet

Et billede af nattehimlen over Kina. Unsplash / Gregory Hayes

En af de nye anvendelser for enkelte fotoner er at pakke dem med kvanteinformation og sende dem til et andet sted. Denne teknik, kendt som kvantekommunikation, udnytter fysikkens love til at sikre, at informationen ikke kan læses af nogen aflytning.

En udfordring er at finde måder at sende denne kvanteinformation rundt i verden. Det er svært, fordi informationen er skrøbelig - enhver interaktion mellem fotonerne og deres miljø ødelægger den. Fotoner kan ikke rejse mere end hundrede kilometer eller deromkring gennem atmosfæren eller gennem optiske fibre, uden at den kvanteinformation, de bærer, bliver ødelagt.

Så kinesiske fysikere har fundet på en løsning: stråle fotonerne til en satellit i kredsløb, som videresender dem til et andet sted på jordens overflade. På denne måde kan den ubehagelige passage gennem atmosfæren minimeres. Hvis fotoner transmitteres fra jordstationer i stor højde, foregår deres rejse for det meste gennem det tomme rums vakuum.

Men der er et problem. Kvantekommunikation kræver detektorer, der kan spotte og måle enkelte fotoner. I de senere år har fysikere designet og bygget stadigt mere følsomme enheder, der kan gøre dette.

Denne følsomhed gør dem dog sårbare over for enhver form for baggrundsstøj, som kan overvælde signalet fra selve fotonerne. Og rummet er fyldt med uønsket støj i form af højenergipartikler, ekstreme temperaturer og fremmedlys fra kilder som solen.

At bygge enkeltfoton-detektorer, der kan fungere i dette miljø, er en betydelig udfordring. Så det er ingen overraskelse, at fysikere har kløet sig i hovedet over dette spørgsmål i nogen tid.

I dag siger Meng Yang og kolleger ved University of Science and Technology of China i Hefei, at de har løst problemet. De har endda testet deres maskine i løbet af de sidste to år på en satellit i kredsløb og siger, at den fungerer godt.

Holdets detektor udnytter et fænomen kendt som lavinenedbrud, som opstår i halvlederchips under særlige omstændigheder. En halvleder som silicium leder elektrisk strøm i form af frie elektroner og huller, der kan bevæge sig gennem materialets gitter under påvirkning af et elektrisk felt.

Under normale omstændigheder er disse ladningsbærere bundet til gitteret og kan derfor ikke bevæge sig. Under disse omstændigheder fungerer materialet som en isolator.

Men hvis en elektron bliver sat fri, måske ved termiske udsving eller et spark fra en indfaldende foton, kan den rejse gennem strukturen og skabe en strøm. Under disse omstændigheder bliver materialet en leder

Selvfølgelig skaber en enkelt elektron, der frigøres på denne måde, en lille strøm, der er svær at opdage. Så tricket med lavinenedbrydning er at opsætte en spænding, der hurtigt accelererer en fri elektron til høje nok hastigheder til at slå andre ledende elektroner fri. Dette skaber en kædereaktion - en lavine - der resulterer i en meget større og lettere detekterbar strøm.

I de senere år har fysikere gjort disse enheder så følsomme, at en enkelt foton med en bestemt bølgelængde kan udløse denne form for lavine. Resultatet er en enkelt-foton detektor, der er i stand til at spotte de fleste af de fotoner, der rammer den.

Denne følsomhed har dog en pris. Det er let at se, hvordan en højenergipartikel kan rive gennem en siliciumfotodiode, sparke elektroner ud og udløse en lavine. Og i rummet skaber denne form for effekt så meget baggrundsstøj - kaldet en mørk tællehastighed - at den oversvømmer signalet fra de fotoner, fysikere håber at måle.

Så opgaven for Yang og co var at finde måder at beskytte og forbedre ydeevnen af ​​kommercielle hyldevare enkeltfoton-detektorer, så de kan operere i rummet.

Deres første løsning var ligetil - omringe detektoren med afskærmning, der blokerer højenergipartikler. Dette er en delikat balancegang, fordi afskærmning er tung og dermed dyr at sætte i kredsløb. Samspillet mellem afskærmningen og højenergipartiklerne kan også skabe byger af sekundære partikler, der får mørkehastigheden til at tælle endnu værre.

Yang og co nøjedes til sidst med et skjold bestående af to lag. Det ydre lag er 12-millimeter plade af aluminium, og det indre lag er en 4 mm plade af det meget tættere og tungere element tantal. Det resulterende skjold reducerer strålingsdosis med en faktor på 2,5.

Denne afskærmning fungerer også som en termisk isolator, som gør det muligt for teamet at afkøle detektorerne til -15 °C. Dette reducerer også mørketal ved at minimere termiske udsving i siliciumdetektoren.

Endelig udviklede holdet elektroniske drivere, der slukker for detektorerne i perioder, hvor de er sårbare over for baggrundsstøj, en teknik kendt som efterpulserende modstand.

Effekten af ​​alle disse tilgange var signifikant. For ubeskyttede enkeltfoton-detektorer er den forventede mørketællingshastighed over 200 tællinger i sekundet. Dette er for højt til kvantekommunikation i rummet.

De modificerede detektorer har dog en mørketællerhastighed på kun 0,54 tællinger i sekundet. Det er to størrelsesordener bedre.

I 2016 lancerede Yang og co deres detektorer ombord på den kinesiske Micius-satellit, en kvanteteknologisk demonstrator, der har indhugget en imponerende række af gennembrud. For eksempel var detektorerne en nøglekomponent i teleportering af det første objekt fra Jorden til kredsløb - en enkelt foton i 2017. Satellitten aktiverede også det første kvantekrypterede videoopkald mellem kontinenter.

Disse eksperimenter har sat scenen for en ny generation af rumbaseret kvantekommunikation. Vores enkeltfotondetektorer åbner nye muligheder for rumforskning og anvendelser inden for optisk kommunikation i dybt rum, enkeltfotonlaserafstand samt til at teste de grundlæggende principper for fysik i rummet, siger Yang og co.

I mellemtiden har resten af ​​kvantefysikkens verden set på med misundelse. Kina har et klart forspring inden for rumbaseret kvantekommunikation, dog med hjælp fra europæiske forskere på nøgleområder.

Europa arbejder på en kredsende kvanteteknologi demonstrator kaldet Security and Cryptographic mission, eller SAGA. Dette er en del af meget større plan om at skabe et kvantekommunikationsnetværk på tværs af kontinentet. Der er dog ikke fastsat nogen lanceringsdato.

Derimod er USA's planer gået i stå. I 2012 startede det militærteknologiske forskningsagentur DARPA et program kaldet Quiness for at teste kvantekommunikationsteknologier i rummet. Men programmet – og feltet generelt – har lidt under en alvorlig mangel på finansiering.

Et vigtigt spørgsmål nu er, hvordan resten af ​​verden, især USA, planlægger at indhente det.

Ref: arxiv.org/abs/1910.08161 : Rumbåren, støjsvag, enkeltfotodetektion til satellitbaseret kvantekommunikation

skjule