Seje tricks tilbyder nye løsninger til kvantenetværk – Physics World

Seje tricks tilbyder nye løsninger til kvantenetværk – Physics World

Tidsstempel: 7. november 2023 kl. 5

Kryokølere med frit stempel fra Sunpower, Inc., en virksomhed tilhørende AMETEK, Inc., leverer den ydeevne, der er nødvendig for effektiv enkeltfoton-emission, mens den stadig passer ind i et standard rack-monteret modul

Sunpowers kryokøler med frit stempel
Ind i kvanteriget Den seneste version af Sunpowers kryokøler med frit stempel leverer den ydeevne, der er nødvendig for en ny generation af integrerede enkeltfotonkilder. (Med høflighed: Sunpower, Inc.)

Nye systemer til kvantekommunikation og kryptografi er afhængige af evnen til at transmittere enkeltfotoner med høj kvalitet. Enkeltfoton-emittere baseret på kvanteprikker afkølet til kryogene temperaturer har vist sig at producere utydelige enkeltfotoner med høj lysstyrke, men for praktisk brug i virkelige kommunikationsnetværk skal både enkeltfotonkilden og dens kølemekanisme integreres i en standard rackmonteret enhed.

Forskere ved TU Berlin har for nylig vist, at denne vanskelige integration kan opnås med en Stirling-kryokøler leveret af AMETEK Solkraft. De har bygget et plug-and-play testbed til kvantenøgledistribution, der udsender enkeltfotonimpulser ved telekommunikationsbølgelængder, og som kombinerer kvantepunktsenheden, kryokøleren og alle de tilhørende optiske komponenter i et selvstændigt 19-tommers modul (Appl. Phys. Rev. 9 011412).

Andre gentagelser af sådanne kvanteprikkeremittere ville typisk kræve et omfangsrigt og komplekst kølesystem for at muliggøre drift ved temperaturer under omkring 50 K, men forskerne ved TU Berlin fandt ud af, at den kompakte Stirling-kryokøler var i stand til at opretholde den nødvendige driftstemperatur uden at indføre uønskede vibrationer ind i systemet. Disse kryokølere bruges allerede i vid udstrækning i videnskabelige instrumenter, der kræver en støjsvag baggrund, såsom infrarøde og radiobølgedetektorer til teleskoper og superledende kvanteinterferensenheder (SQUID'er), mens nyere designforbedringer udvider deres appel til applikationer med mere krævende krav.

Sunpower-designet har en fri-stempelmekanisme, der udnytter gaslejer for at muliggøre friktionsfri drift. "Stemplets bevægelse drives af en elektronisk controller, mens svingningen af ​​de bevægelige dele oplader gaslejerne for at gøre det muligt for stemplet og forskyderen at svæve på en film af gas," forklarer Cliff Fralick fra AMETEK Solkraft. "Der er ikke brugt smøring og ingen vedligeholdelse nødvendig, hvilket sikrer, at disse hermetisk forseglede kryokølere vil have en lang og pålidelig levetid."

En sådan kontaktfri drift har gjort disse kryokølere med frit stempel til et populært valg til applikationer, der kræver pålidelige og robuste køleløsninger. Et iøjnefaldende eksempel var en enhed, der var designet til at afkøle et billeddannende spektrometer ombord på NASAs RHESSI-rummission, der blev opsendt i 2002 for at studere de energiske partikler, der frigives i soludbrud. På trods af en målmissionslevetid på kun to år, gjorde kryokøleren det muligt for spektrometeret at fortsætte med at tage billeder i 16 år, indtil instrumentet endelig blev taget ud af drift i 2018.

Sunpowers free-stempel design leverer også højere køleeffekter og en bedre termisk effektivitet end andre kryokølere på markedet. En af de mest kraftfulde modeller i virksomhedens udvalg af kompakte enheder, Cryotel GT, fjerner varme med en hastighed på 16 W med 240 W indgangseffekt, mens den opretholder en temperatur på 77 K, hvilket opnår en køleeffektivitet på næsten 20 % af teoretisk Carnot grænse. Derudover giver designets høje specifikke kraft mulighed for en mindre størrelse, med GT, der måler 276 mm lang og 83 mm diameter, og med en masse på kun 3 kg.

Sådanne designparametre har gjort Sunpowers kryokøler til et populært valg for instrumenter, der skal opfange svage signaler. "For at detektere noget, der producerer meget lidt energi, er det nødvendigt at generere en meget kold baggrund for at minimere støjgulvet og forbedre signal-til-støj-forholdet," siger Fralick. "Det gælder for mange videnskabelige applikationer såsom infrarøde detektorer, SQUID'er, støjsvage forstærkere, teleskopinstrumenter og dybrumskommunikation."

Nylige innovationer har nu udvidet tiltrækningen af ​​Sunpowers kryokølere til en række nye anvendelser, især inden for det voksende felt af kvanteteknologi. Virksomheden har for nylig udgivet en premium-version af GT, der tilbyder en minimumstemperatur omkring 10 K lavere end standardversionen, samtidig med at den anvendelige varmebelastningskapacitet øges ved temperaturer mellem 30 og 50 K.

"GT har typisk en minimumstemperatur på cirka 38 K, mens den nye GTLT kan give meningsfuld køleeffekt ved temperaturer ned til 30 K," siger Fralick. "Ved at booste køleydelsen ved lavere temperaturer udvider GTLT rækken af ​​applikationer, der kan løses med vores teknologi."

Solkraft
Ydeevne betyder noget Den nyligt frigivne CryoTel GTLT giver meningsfuld køleeffekt ved temperaturer ned til 30 K, omkring 10 K lavere end standard GT-modellen, mens en opdateret ordning for aktiv vibrationsannullering, AVC-GEN2, leverer en 10-fold reduktion af eksporterede vibrationer ved driftsfrekvens på 60 Hz sammenlignet med standard passiv balancer. (Med høflighed: Sunpower, Inc.)

Virksomheden har også arbejdet på at reducere niveauet af vibrationer, der eksporteres fra kryokølerne, da for store vibrationer skabt af de oscillerende komponenter har begrænset anvendelsen af ​​Stirling kryokølere i visse applikationer. Alle kryokølere er som standard udstyret med en passiv balancer, mens Sunpower også tilbyder muligheden for Active Vibration Cancellation (AVC) på tværs af alle instrumenterne i sit produktsortiment.

Virksomhedens indledende AVC-tilbud reducerede niveauet af eksporterede vibrationer med en faktor på fem, mens dens seneste udgivelse – AVC-GEN2 balanceren – leverer en yderligere dobbelt ydelsesforbedring. "Dette giver en ti gange reduktion af eksporterede vibrationer sammenlignet med den passive balancer, hvilket er en kritisk fordel for kunder, der udforsker applikationer inden for kvanteteknologi," siger Fralick. "Kombinering af CryoTel GTLT med AVC-GEN2 aktive balancer giver en kompakt løsning, der leverer den ydeevne, der er nødvendig for disse applikationer."

Faktisk gør QKD-systemet, der er udviklet på TU Berlin, brug af begge disse innovationer til at optimere ydeevnen af ​​kvante-dot-emitteren og samtidig minimere vibrationer inden for rammerne af nøglefærdige modul. En anden nøglekunde i kvantesektoren er den britiske start-up virksomhed Aegiq, som har udviklet en kommerciel enkeltfotonkilde, der udnytter kompakt kryogenisk køling og sikrer, at dets modul passer ind i et 19-tommers rack.

Sunpower fortsætter med at lave forbedringer af sine produkter og teknologi, med en løbende indsats mod koldere temperaturer, højere kapacitetskøling og lavere niveauer af eksporterede vibrationer. "Quantum-applikationer vokser hurtigt, og Sunpower er fokuseret på at levere de teknologiske fremskridt, der opfylder kundernes krav på dette felt," siger Fralick.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden