Jak Chiny zbudowały detektor pojedynczych fotonów, który działa w kosmosie?

Obraz nocnego nieba nad Chinami. Unsplash / Gregory Hayes

Jednym z pojawiających się zastosowań pojedynczych fotonów jest pakowanie ich w informacje kwantowe i wysyłanie ich w inne miejsce. Ta technika, znana jako komunikacja kwantowa, wykorzystuje prawa fizyki, aby zapewnić, że informacje nie zostaną odczytane przez żadnego podsłuchującego.

Jednym z wyzwań jest znalezienie sposobów przesyłania tych informacji kwantowych na cały świat. To trudne, ponieważ informacja jest delikatna — każda interakcja między fotonami a ich otoczeniem niszczy ją. Fotony nie mogą podróżować więcej niż sto kilometrów w atmosferze lub przez światłowody bez zniszczenia niesionej przez nie informacji kwantowej.

Chińscy fizycy wymyślili więc obejście: prześlij fotony do satelity na orbicie, który przekazuje je w inne miejsce na powierzchni Ziemi. W ten sposób można zminimalizować niewygodne przejście przez atmosferę. Jeśli fotony są transmitowane ze stacji naziemnych na dużej wysokości, ich podróż odbywa się głównie przez próżnię pustej przestrzeni.

Ale jest problem. Komunikacja kwantowa wymaga detektorów, które potrafią wykrywać i mierzyć pojedyncze fotony. W ostatnich latach fizycy zaprojektowali i zbudowali coraz bardziej czułe urządzenia, które to potrafią.

Jednak ta czułość czyni je podatnymi na wszelkiego rodzaju szumy tła, które mogą przytłoczyć sygnał z samych fotonów. A przestrzeń jest wypełniona niepożądanym hałasem w postaci cząstek o wysokiej energii, ekstremalnych temperatur i obcego światła ze źródeł takich jak słońce.

Zbudowanie detektorów jednofotonowych, które mogą pracować w tym środowisku, jest dużym wyzwaniem. Nic więc dziwnego, że fizycy od jakiegoś czasu drapią się po głowach nad tym problemem.

Dziś Meng Yang i koledzy z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin w Hefei twierdzą, że rozwiązali problem. W ciągu ostatnich dwóch lat testowali nawet swoją maszynę na satelicie na orbicie i twierdzą, że działa dobrze.

Detektor zespołu wykorzystuje zjawisko znane jako awaria lawinowa, która występuje w chipach półprzewodnikowych w szczególnych okolicznościach. Półprzewodnik, taki jak krzem, przewodzi prąd elektryczny w postaci wolnych elektronów i dziur, które mogą poruszać się w sieci materiału pod wpływem pola elektrycznego.

W normalnych warunkach te nośniki ładunku są związane z siatką i nie mogą się poruszać. W takich okolicznościach materiał działa jak izolator.

Ale jeśli elektron zostanie uwolniony, być może przez fluktuacje termiczne lub uderzenie padającym fotonem, może podróżować przez strukturę, wytwarzając prąd. W takich okolicznościach materiał staje się przewodnikiem

Oczywiście pojedynczy uwolniony w ten sposób elektron wytwarza niewielki prąd, który jest trudny do wykrycia. Tak więc sztuczka z przebiciem lawinowym polega na ustawieniu napięcia, które gwałtownie przyspiesza swobodny elektron do prędkości wystarczającej do wyrzucenia innych przewodzących elektronów. Powoduje to reakcję łańcuchową – lawinę – która skutkuje znacznie większym i łatwiejszym do wykrycia prądem.

W ostatnich latach fizycy uczynili te urządzenia tak czułymi, że pojedynczy foton o określonej długości fali może wywołać tego rodzaju lawinę. Rezultatem jest detektor pojedynczego fotonu, który jest w stanie wykryć większość fotonów, które w niego uderzyły.

Jednak ta wrażliwość ma swoją cenę. Łatwo zobaczyć, jak wysokoenergetyczna cząstka może przebić się przez fotodiodę krzemową, wyrzucając elektrony i wywołując lawinę. A w kosmosie ten rodzaj efektu tworzy tak dużo szumu w tle – zwanego współczynnikiem zliczania ciemności – że zasypuje sygnał z fotonów, które fizycy mają nadzieję zmierzyć.

Tak więc zadaniem Yang i spółki było znalezienie sposobów ochrony i zwiększenia wydajności komercyjnych, gotowych detektorów jednofotonowych, tak aby mogły one działać w kosmosie.

Ich pierwsza poprawka była prosta — otoczenie detektora osłoną, która blokuje cząstki o wysokiej energii. Jest to delikatna czynność balansująca, ponieważ ekranowanie jest ciężkie, a zatem drogie do umieszczenia na orbicie. Interakcja między osłoną a cząstkami o wysokiej energii może również powodować powstawanie deszczów cząstek wtórnych, co jeszcze bardziej pogarsza liczebność szybkości ciemności.

Yang i spółka ostatecznie zdecydowali się na tarczę składającą się z dwóch warstw. Zewnętrzna warstwa to 12-milimetrowa blacha aluminiowa, a wewnętrzna to 4mm blacha dużo gęstszego i cięższego pierwiastka tantalu. Powstała osłona zmniejsza dawkę promieniowania o współczynnik 2,5.

To ekranowanie działa również jako izolator termiczny, co pozwala zespołowi schłodzić detektory do -15 °C. Zmniejsza to również liczbę ciemności, minimalizując fluktuacje termiczne w detektorze krzemowym.

Wreszcie zespół opracował sterowniki elektroniczne, które wyłączają detektory w okresach, gdy są one podatne na szum tła, technikę znaną jako rezystancja następcza.

Efekt wszystkich tych podejść był znaczący. W przypadku niezabezpieczonych detektorów jednofotonowych oczekiwany współczynnik zliczeń ciemnych wynosi ponad 200 zliczeń na sekundę. To za dużo dla komunikacji kwantowej w kosmosie.

Jednak zmodyfikowane detektory mają szybkość zliczania w ciemności zaledwie 0,54 zliczeń na sekundę. To o dwa rzędy wielkości lepiej.

W 2016 roku Yang i spółka uruchomili swoje detektory na pokładzie chińskiego satelity Micius, demonstratora technologii kwantowej, który dokonał imponującej serii przełomów. Na przykład detektory były kluczowym elementem w teleportacji pierwszego obiektu z Ziemi na orbitę — pojedynczego fotonu w 2017 roku. Satelita umożliwił także pierwsze połączenie wideo z szyfrowaniem kwantowym między kontynentami.

Te eksperymenty przygotowały grunt pod nową generację kosmicznej komunikacji kwantowej. Nasze detektory pojedynczych fotonów otwierają nowe możliwości dla badań kosmicznych i zastosowań w kosmicznej komunikacji optycznej, jednofotonowej odległości laserowej, a także do testowania podstawowych zasad fizyki w kosmosie, powiedzmy Yang i spółka.

W międzyczasie reszta świata fizyki kwantowej patrzyła z zazdrością. Chiny mają wyraźną przewagę w kosmicznej komunikacji kwantowej, aczkolwiek z pomocą europejskich naukowców w kluczowych obszarach.

Europa pracuje nad orbitującym demonstratorem technologii kwantowej o nazwie Security and Cryptographic Mission (SAGA). Jest to część znacznie większego planu stworzenia kwantowej sieci komunikacyjnej na całym kontynencie. Nie ustalono jednak daty premiery.

W przeciwieństwie do tego plany USA utknęły w martwym punkcie. W 2012 roku agencja badawcza technologii wojskowych DARPA uruchomiła program o nazwie Quiness, aby przetestować technologie komunikacji kwantowej w kosmosie. Ale program – i ogólnie dziedzina – cierpi z powodu poważnego braku funduszy.

Ważnym pytaniem jest teraz, w jaki sposób reszta świata, zwłaszcza USA, planuje nadrobić zaległości.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1910.08161 : Niskoszumowa detekcja pojedynczego fotonu w kosmosie do satelitarnej komunikacji kwantowej

ukryć