Coole Tricks bieten neue Lösungen für die Quantenvernetzung – Physics World

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Zeitstempel: 7. November 2023, 5:53 Uhr

Freikolben-Kryokühler von Sunpower, Inc., einem Unternehmen von AMETEK, Inc., liefern die Leistung, die für eine effiziente Einzelphotonenemission erforderlich ist, und passen dennoch in ein Standard-Rack-Modul

Der Freikolben-Kryokühler von Sunpower
In die Quantenwelt Die neueste Version des Freikolben-Kryokühlers von Sunpower liefert die Leistung, die für eine neue Generation integrierter Einzelphotonenquellen erforderlich ist. (Mit freundlicher Genehmigung von Sunpower, Inc.)

Neue Systeme für die Quantenkommunikation und Kryptographie basieren auf der Fähigkeit, einzelne Photonen mit hoher Genauigkeit zu übertragen. Es hat sich gezeigt, dass Einzelphotonenemitter, die auf auf kryogene Temperaturen gekühlten Quantenpunkten basieren, nicht unterscheidbare Einzelphotonen mit hoher Helligkeit erzeugen. Für den praktischen Einsatz in realen Kommunikationsnetzwerken müssen jedoch sowohl die Einzelphotonenquelle als auch ihr Kühlmechanismus in einen Standard integriert werden Rack-montierte Einheit.

Wissenschaftler der TU Berlin haben kürzlich gezeigt, dass diese knifflige Integration mit einem Stirling-Kryokühler der Firma gelingen kann AMETEK Sonnenkraft. Sie haben ein Plug-and-Play-Testbett für die Quantenschlüsselverteilung gebaut, das Einzelphotonenimpulse bei Telekommunikationswellenlängen aussendet und das Quantenpunktgerät, den Kryokühler und alle zugehörigen optischen Komponenten in einem eigenständigen 19-Zoll-Modul vereint (Appl. Physik. Rev. 9 011412).

Andere Iterationen solcher Quantenpunktemitter würden typischerweise ein sperriges und komplexes Kühlsystem erfordern, um den Betrieb bei Temperaturen unter etwa 50 K zu ermöglichen, aber die Wissenschaftler der TU Berlin fanden heraus, dass der kompakte Stirling-Kryokühler in der Lage war, die erforderliche Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten, ohne unerwünschte Energieeinträge einzuführen Vibrationen in das System. Diese Kryokühler werden bereits häufig in wissenschaftlichen Instrumenten eingesetzt, die einen rauscharmen Hintergrund erfordern, wie etwa Infrarot- und Radiowellendetektoren für Teleskope und supraleitende Quanteninterferenzgeräte (SQUIDs), während jüngste Designverbesserungen ihre Attraktivität für anspruchsvollere Anwendungen erhöhen Anforderungen.

Das Sunpower-Design verfügt über einen Freikolbenmechanismus, der Gaslager nutzt, um einen reibungsfreien Betrieb zu ermöglichen. „Die Bewegung des Kolbens wird von einer elektronischen Steuerung gesteuert, während die Schwingung der beweglichen Teile die Gaslager auflädt, damit Kolben und Verdränger auf einem Gasfilm schweben können“, erklärt Cliff Fralick von AMETEK Sonnenkraft. „Es ist keine Schmierung erforderlich und es ist keine Wartung erforderlich, was sicherstellt, dass diese hermetisch abgedichteten Kryokühler eine lange und zuverlässige Lebensdauer haben.“

Dieser berührungslose Betrieb hat diese Freikolben-Kryokühler zu einer beliebten Wahl für Anwendungen gemacht, die zuverlässige und robuste Kühllösungen erfordern. Ein herausragendes Beispiel war ein Gerät, das zur Kühlung eines bildgebenden Spektrometers an Bord der NASA-Weltraummission RHESSI entwickelt wurde, die 2002 gestartet wurde, um die bei Sonneneruptionen freigesetzten energiereichen Teilchen zu untersuchen. Trotz einer angestrebten Missionslebensdauer von nur zwei Jahren ermöglichte der Kryokühler dem Spektrometer die Aufnahme von Bildern 16 Jahre lang, bis das Instrument 2018 endgültig außer Betrieb genommen wurde.

Das Freikolben-Design von Sunpower bietet außerdem höhere Kühlleistungen und einen besseren thermischen Wirkungsgrad als andere Kryokühler auf dem Markt. Eines der leistungsstärksten Modelle in der Kompaktgerätereihe des Unternehmens, das Cryotel GT, leitet Wärme mit einer Rate von 16 W bei 240 W Eingangsleistung ab und hält dabei eine Temperatur von 77 K aufrecht, wodurch eine Kühleffizienz von fast 20 % erreicht wird theoretisches Carnot-Limit. Darüber hinaus ermöglicht die hohe spezifische Leistung des Designs eine kleinere Größe: Der GT misst 276 mm Länge und 83 mm Durchmesser und wiegt nur 3 kg.

Solche Designparameter haben den Kryokühler von Sunpower zu einer beliebten Wahl für Instrumente gemacht, die schwache Signale erfassen müssen. „Um etwas zu erkennen, das sehr wenig Energie produziert, muss ein sehr kalter Hintergrund erzeugt werden, um das Grundrauschen zu minimieren und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern“, sagt Fralick. „Das gilt für viele wissenschaftliche Anwendungen wie Infrarotdetektoren, SQUIDs, rauscharme Verstärker, Teleskopinstrumente und Weltraumkommunikation.“

Jüngste Innovationen haben die Attraktivität der Kryokühler von Sunpower für eine Reihe neuer Anwendungen, insbesondere im wachsenden Bereich der Quantentechnologie, erhöht. Das Unternehmen hat kürzlich eine Premium-Version des GT herausgebracht, die eine um etwa 10 K niedrigere Mindesttemperatur als die Standardversion bietet und gleichzeitig die nutzbare Wärmelastkapazität bei Temperaturen zwischen 30 und 50 K erhöht.

„Der GT hat typischerweise eine Mindesttemperatur von etwa 38 K, während der neue GTLT bei Temperaturen bis zu 30 K eine sinnvolle Kühlleistung liefern kann“, sagt Fralick. „Durch die Steigerung der Kühlleistung bei niedrigeren Temperaturen erweitert der GTLT das Anwendungsspektrum, das mit unserer Technologie abgedeckt werden kann.“

Sonnenkraft
Leistung zählt Der kürzlich veröffentlichte CryoTel GTLT bietet eine bedeutende Kühlleistung bei Temperaturen bis zu 30 K, etwa 10 K niedriger als das Standard-GT-Modell, während ein aktualisiertes Schema zur aktiven Vibrationsunterdrückung, AVC-GEN2, eine 10-fache Reduzierung der exportierten Vibrationen liefert Betriebsfrequenz von 60 Hz im Vergleich zum standardmäßigen passiven Balancer. (Mit freundlicher Genehmigung von Sunpower, Inc.)

Das Unternehmen hat außerdem daran gearbeitet, die von den Kryokühlern ausgehenden Vibrationen zu reduzieren, da übermäßige Vibrationen, die durch die oszillierenden Komponenten erzeugt werden, den Einsatz von Stirling-Kryokühlern in bestimmten Anwendungen eingeschränkt haben. Alle Kryokühler sind standardmäßig mit einem passiven Balancer ausgestattet, während Sunpower für alle Geräte seiner Produktpalette auch die Option der aktiven Vibrationsunterdrückung (AVC) anbietet.

Das erste AVC-Angebot des Unternehmens reduzierte die Menge der exportierten Vibrationen um das Fünffache, während die neueste Version – der AVC-GEN2-Balancer – eine weitere zweifache Leistungsverbesserung bietet. „Dies führt zu einer zehnfachen Reduzierung der exportierten Vibrationen im Vergleich zum passiven Balancer, was ein entscheidender Vorteil für Kunden ist, die Anwendungen in der Quantentechnologie erforschen“, sagt Fralick. „Die Kombination des CryoTel GTLT mit dem aktiven Balancer AVC-GEN2 bietet eine kompakte Lösung, die die für diese Anwendungen erforderliche Leistung liefert.“

Tatsächlich nutzt das an der TU Berlin entwickelte QKD-System beide Innovationen, um die Leistung des Quantenpunkt-Emitters zu optimieren und gleichzeitig Vibrationen innerhalb der Grenzen des schlüsselfertigen Moduls zu minimieren. Ein weiterer wichtiger Kunde im Quantensektor ist das britische Start-up-Unternehmen Aegiq, das eine kommerzielle Einzelphotonenquelle entwickelt hat, die eine kompakte kryogene Kühlung nutzt und sicherstellt, dass ihr Modul in ein 19-Zoll-Rack passt.

Sunpower führt weiterhin Verbesserungen an seinen Produkten und Technologien durch und strebt weiterhin nach kälteren Temperaturen, höherer Kühlleistung und geringeren exportierten Vibrationen. „Quantenanwendungen nehmen schnell zu und Sunpower konzentriert sich darauf, die technologischen Fortschritte zu liefern, die den Anforderungen der Kunden in diesem Bereich gerecht werden“, sagt Fralick.

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