211service.com
Hoe China een single-photon detector bouwde die in de ruimte werkt
Een afbeelding van de nachtelijke hemel boven China. Unsplash / Gregory Hayes
Een van de nieuwe toepassingen van afzonderlijke fotonen is om ze te verpakken met kwantuminformatie en ze naar een andere locatie te sturen. Deze techniek, die bekend staat als kwantumcommunicatie, maakt gebruik van de wetten van de fysica om ervoor te zorgen dat de informatie door geen enkele afluisteraar kan worden gelezen.
Een uitdaging is om manieren te vinden om deze kwantuminformatie de wereld rond te sturen. Dat is moeilijk omdat de informatie kwetsbaar is - elke interactie tussen de fotonen en hun omgeving vernietigt deze. Fotonen kunnen niet meer dan honderd kilometer door de atmosfeer of door optische vezels reizen zonder dat de kwantuminformatie die ze met zich meedragen vernietigd wordt.
Dus hebben Chinese natuurkundigen een oplossing bedacht: straal de fotonen naar een in een baan om de aarde draaiende satelliet, die ze doorstuurt naar een andere locatie op het aardoppervlak. Op deze manier kan de ongemakkelijke passage door de atmosfeer worden geminimaliseerd. Als fotonen op grote hoogte vanaf grondstations worden uitgezonden, gaat hun reis meestal door het vacuüm van de lege ruimte.
Maar er is een probleem. Quantumcommunicatie vereist detectoren die afzonderlijke fotonen kunnen detecteren en meten. De afgelopen jaren hebben natuurkundigen steeds gevoeligere apparaten ontworpen en gebouwd die dit kunnen.
Deze gevoeligheid maakt ze echter kwetsbaar voor elke vorm van achtergrondruis, die het signaal van de fotonen zelf kan overweldigen. En de ruimte is gevuld met ongewenst geluid in de vorm van hoogenergetische deeltjes, extreme temperaturen en extern licht van bronnen zoals de zon.
Het bouwen van enkelfotondetectoren die in deze omgeving kunnen werken, is een grote uitdaging. Het is dus geen verrassing dat natuurkundigen al een tijdje hun hoofd over deze kwestie krabben.
Vandaag zeggen Meng Yang en collega's van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Hefei dat ze het probleem hebben opgelost. Ze hebben hun machine de afgelopen twee jaar zelfs getest op een in een baan om de aarde draaiende satelliet en zeggen dat hij goed werkt.
De detector van het team maakt gebruik van een fenomeen dat bekend staat als lawinedoorslag en dat onder speciale omstandigheden optreedt in halfgeleiderchips. Een halfgeleider zoals silicium geleidt elektrische stroom in de vorm van vrije elektronen en gaten die onder invloed van een elektrisch veld door het materiaalrooster kunnen bewegen.
Deze ladingsdragers zijn onder normale omstandigheden aan het rooster gebonden en kunnen dus niet bewegen. In deze omstandigheden werkt het materiaal als een isolator.
Maar als een elektron vrijkomt, misschien door thermische fluctuaties of een stoot van een invallend foton, kan het door de structuur reizen en een stroom creëren. In deze omstandigheden wordt het materiaal een geleider
Natuurlijk creëert een enkel elektron dat op deze manier wordt vrijgemaakt een minuscuul stroompje dat moeilijk te detecteren is. Dus de truc met lawinedoorslag is om een spanning op te zetten die een vrij elektron snel versnelt tot snelheden die hoog genoeg zijn om andere geleidende elektronen vrij te maken. Dit zorgt voor een kettingreactie - een lawine - die resulteert in een veel grotere en gemakkelijker detecteerbare stroom.
In de afgelopen jaren hebben natuurkundigen deze apparaten zo gevoelig gemaakt dat een enkel foton van een specifieke golflengte dit soort lawine kan veroorzaken. Het resultaat is een enkelvoudige fotondetector die in staat is de meeste fotonen te detecteren die hem raken.
Deze gevoeligheid heeft echter een prijs. Het is gemakkelijk te zien hoe een hoogenergetisch deeltje door een siliciumfotodiode kan scheuren, elektronen kan uitstoten en een lawine kan veroorzaken. En in de ruimte creëert dit soort effect zoveel achtergrondruis - een zogenaamde donkere telsnelheid - dat het het signaal van de fotonen die natuurkundigen hopen te meten, overspoelt.
Dus de taak voor Yang en co was om manieren te vinden om de prestaties van commerciële, kant-en-klare enkelfotondetectoren te beschermen en te verbeteren, zodat ze in de ruimte kunnen werken.
Hun eerste oplossing was eenvoudig: de detector omringen met afscherming die hoogenergetische deeltjes blokkeert. Dit is een delicate evenwichtsoefening omdat afscherming zwaar is en dus duur om in een baan om de aarde te brengen. De interactie tussen de afscherming en de hoogenergetische deeltjes kan ook een regen van secundaire deeltjes veroorzaken die de donkere snelheid nog erger maken.
Yang en co kozen uiteindelijk voor een schild dat uit twee lagen bestaat. De buitenste laag is een plaat van 12 millimeter aluminium en de binnenste laag is een plaat van 4 mm van het veel dichtere en zwaardere element tantaal. Het resulterende schild vermindert de stralingsdosis met een factor 2,5.
Deze afscherming werkt ook als een thermische isolator, waardoor het team de detectoren kan koelen tot -15 °C. Dit vermindert ook donkere tellingen door thermische fluctuaties in de siliciumdetector te minimaliseren.
Ten slotte ontwikkelde het team elektronische drivers die de detectoren uitschakelen in periodes waarin ze kwetsbaar zijn voor achtergrondgeluid, een techniek die bekend staat als na-pulserende weerstand.
Het effect van al deze benaderingen was significant. Voor onbeschermde enkelvoudige fotondetectoren is de verwachte donkertelling meer dan 200 tellingen per seconde. Dit is te hoog voor kwantumcommunicatie in de ruimte.
De gemodificeerde detectoren hebben echter een donkere telsnelheid van slechts 0,54 tellen per seconde. Dat is twee ordes van grootte beter.
In 2016 lanceerden Yang en co hun detectoren aan boord van de Chinese Micius-satelliet, een demonstrator van kwantumtechnologie die een indrukwekkende reeks doorbraken heeft opgeleverd. De detectoren waren bijvoorbeeld een belangrijk onderdeel bij het teleporteren van het eerste object van de aarde naar een baan om de aarde - een enkel foton in 2017. De satelliet maakte ook het eerste kwantumgecodeerde videogesprek tussen continenten mogelijk.
Deze experimenten hebben de weg geëffend voor een nieuwe generatie van op de ruimte gebaseerde kwantumcommunicatie. Onze enkelvoudige fotondetectoren openen nieuwe kansen voor ruimteonderzoek en toepassingen in optische communicatie in de diepe ruimte, laserbereik met één foton, evenals voor het testen van de fundamentele principes van fysica in de ruimte, zeggen Yang en co.
Ondertussen heeft de rest van de wereld van de kwantumfysica jaloers toegekeken. China heeft een duidelijke voorsprong in op de ruimte gebaseerde kwantumcommunicatie, zij het met hulp van Europese onderzoekers op belangrijke gebieden.
Europa werkt aan een in een baan rond de aarde draaiende demonstrator voor kwantumtechnologie genaamd de Security and Cryptographic mission, of SAGA. Dit maakt deel uit van een veel groter plan om een kwantumcommunicatienetwerk over het hele continent te creëren. Er is echter geen lanceringsdatum vastgesteld.
Daarentegen zijn de Amerikaanse plannen tot stilstand gekomen. In 2012 startte het onderzoeksbureau voor militaire technologie DARPA een programma genaamd Quiness om kwantumcommunicatietechnologieën in de ruimte te testen. Maar het programma - en het veld in het algemeen - heeft te lijden gehad van een ernstig gebrek aan financiering.
Een belangrijke vraag is nu hoe de rest van de wereld, met name de VS, van plan is om de achterstand in te halen.
Referentie: arxiv.org/abs/1910.08161 : Ruimtevaart, ruisarme, enkelvoudige fotondetectie voor op satellieten gebaseerde kwantumcommunicatie