Τα δροσερά κόλπα προσφέρουν νέες λύσεις για κβαντική δικτύωση – Physics World

Τα δροσερά κόλπα προσφέρουν νέες λύσεις για κβαντική δικτύωση – Physics World

Χρονική σήμανση: 7 Νοεμβρίου 2023 5:53 π.μ.

Κρυοψύκτες με ελεύθερο έμβολο από την Sunpower, Inc., επιχείρηση της AMETEK, Inc., παρέχει την απόδοση που απαιτείται για την αποτελεσματική εκπομπή ενός φωτονίου, ενώ εξακολουθεί να τοποθετείται μέσα σε μια τυπική μονάδα που είναι τοποθετημένη σε rack

Ο κρυοψύκτης με ελεύθερο έμβολο της Sunpower
Στο κβαντικό βασίλειο Η πιο πρόσφατη έκδοση του κρυοψύκτη ελεύθερου εμβόλου της Sunpower προσφέρει την απόδοση που απαιτείται για μια νέα γενιά ενσωματωμένων πηγών ενός φωτονίου. (Ευγενική προσφορά: Sunpower, Inc.)

Τα αναδυόμενα συστήματα για κβαντικές επικοινωνίες και κρυπτογραφία βασίζονται στην ικανότητα μετάδοσης μεμονωμένων φωτονίων με υψηλή πιστότητα. Οι εκπομποί ενός φωτονίου που βασίζονται σε κβαντικές κουκκίδες που ψύχονται σε κρυογονικές θερμοκρασίες έχει αποδειχθεί ότι παράγουν δυσδιάκριτα μεμονωμένα φωτόνια με υψηλή φωτεινότητα, αλλά για πρακτική χρήση σε δίκτυα επικοινωνιών πραγματικού κόσμου, τόσο η πηγή ενός φωτονίου όσο και ο μηχανισμός ψύξης της πρέπει να ενσωματωθούν σε ένα πρότυπο μονάδα τοποθετημένη σε σχάρα.

Επιστήμονες στο TU Berlin έδειξαν πρόσφατα ότι αυτή η δύσκολη ενσωμάτωση μπορεί να επιτευχθεί με έναν κρυοψύκτη Stirling που παρέχεται από ΑΜΕΤΕΚ Sunpower. Έχουν κατασκευάσει μια βάση δοκιμών plug-and-play για διανομή κβαντικού κλειδιού που εκπέμπει παλμούς ενός φωτονίου σε μήκη κύματος τηλεπικοινωνιών και που συνδυάζει τη συσκευή κβαντικής κουκκίδας, τον κρυοψύκτη και όλα τα σχετικά οπτικά εξαρτήματα σε μια αυτόνομη μονάδα 19 ιντσών.Appl. Phys. Στροφή μηχανής. 9 011412).

Άλλες επαναλήψεις τέτοιων εκπομπών κβαντικής κουκκίδας θα απαιτούσαν συνήθως ένα ογκώδες και περίπλοκο σύστημα ψύξης για να επιτρέψει τη λειτουργία σε θερμοκρασίες κάτω από περίπου 50 K, αλλά οι επιστήμονες στο TU Berlin διαπίστωσαν ότι ο συμπαγής κρυοψύκτης Stirling ήταν σε θέση να διατηρήσει την απαιτούμενη θερμοκρασία λειτουργίας χωρίς να εισάγει ανεπιθύμητα δονήσεις στο σύστημα. Αυτοί οι κρυοψύκτες χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως σε επιστημονικά όργανα που απαιτούν υπόβαθρο χαμηλού θορύβου, όπως ανιχνευτές υπέρυθρων και ραδιοκυμάτων για τηλεσκόπια και υπεραγώγιμες συσκευές κβαντικής παρεμβολής (SQUID), ενώ οι πρόσφατες βελτιώσεις σχεδιασμού διευρύνουν την απήχησή τους σε εφαρμογές με πιο απαιτητικές απαιτήσεις.

Ο σχεδιασμός της Sunpower διαθέτει μηχανισμό ελεύθερου εμβόλου που εκμεταλλεύεται τα ρουλεμάν αερίου για να επιτρέψει τη λειτουργία χωρίς τριβές. «Η κίνηση του εμβόλου καθοδηγείται από έναν ηλεκτρονικό ελεγκτή, ενώ η ταλάντωση των κινούμενων μερών φορτίζει τα ρουλεμάν αερίου για να επιτρέψει στο έμβολο και τον εκτοπιστή να αιωρούνται σε μια μεμβράνη αερίου», εξηγεί ο Cliff Fralick του ΑΜΕΤΕΚ Sunpower. «Δεν χρησιμοποιείται λίπανση και δεν χρειάζεται συντήρηση, κάτι που διασφαλίζει ότι αυτοί οι ερμητικά σφραγισμένοι κρυοψύκτες θα έχουν μεγάλη και αξιόπιστη διάρκεια ζωής».

Αυτή η λειτουργία χωρίς επαφή έχει κάνει αυτούς τους κρυοψύκτες ελεύθερου εμβόλου μια δημοφιλή επιλογή για εφαρμογές που απαιτούν αξιόπιστες και στιβαρές λύσεις ψύξης. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα ήταν μια συσκευή που σχεδιάστηκε για να ψύχει ένα φασματόμετρο απεικόνισης στη διαστημική αποστολή RHESSI της NASA, που εκτοξεύτηκε το 2002 για να μελετήσει τα ενεργειακά σωματίδια που απελευθερώνονται στις ηλιακές εκλάμψεις. Παρά τη διάρκεια ζωής της αποστολής στόχου μόλις δύο ετών, ο κρυοψύκτης επέτρεψε στο φασματόμετρο να συνεχίσει τη λήψη εικόνων για 16 χρόνια, έως ότου το όργανο παροπλίστηκε τελικά το 2018.

Η σχεδίαση ελεύθερου εμβόλου της Sunpower προσφέρει επίσης υψηλότερες ψυκτικές δυνάμεις και καλύτερη θερμική απόδοση από άλλους κρυοψύκτες της αγοράς. Ένα από τα πιο ισχυρά μοντέλα στη γκάμα των συμπαγών συσκευών της εταιρείας, το Cryotel GT, αφαιρεί θερμότητα με ρυθμό 16 W με 240 W ισχύ εισόδου, ενώ διατηρεί θερμοκρασία 77 K, επιτυγχάνοντας απόδοση ψύξης σχεδόν 20% της θεωρητικό όριο Carnot. Επιπλέον, η υψηλή ειδική ισχύς του σχεδιασμού επιτρέπει μικρότερο μέγεθος, με το GT να έχει μήκος 276 mm και διάμετρο 83 mm και μάζα μόνο 3 kg.

Τέτοιες παράμετροι σχεδίασης έχουν κάνει τον κρυοψύκτη της Sunpower μια δημοφιλή επιλογή για όργανα που πρέπει να λαμβάνουν αμυδρά σήματα. «Για να ανιχνευθεί κάτι που παράγει πολύ λίγη ενέργεια, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα πολύ κρύο φόντο για να ελαχιστοποιηθεί το επίπεδο θορύβου και να βελτιωθεί η αναλογία σήματος προς θόρυβο», λέει ο Fralick. "Αυτό ισχύει για πολλές επιστημονικές εφαρμογές όπως ανιχνευτές υπερύθρων, SQUID, ενισχυτές χαμηλού θορύβου, όργανα τηλεσκοπίων και επικοινωνίες στο βαθύ διάστημα."

Οι πρόσφατες καινοτομίες έχουν πλέον διευρύνει την απήχηση των κρυοψύκτη της Sunpower για μια σειρά νέων εφαρμογών, ιδιαίτερα στον αναπτυσσόμενο τομέα της κβαντικής τεχνολογίας. Η εταιρεία κυκλοφόρησε πρόσφατα μια premium έκδοση του GT που προσφέρει ελάχιστη θερμοκρασία περίπου 10 K χαμηλότερη από την τυπική έκδοση, ενώ αυξάνει επίσης τη χρησιμοποιήσιμη χωρητικότητα θερμικού φορτίου σε θερμοκρασίες μεταξύ 30 και 50 K.

«Το GT έχει τυπικά ελάχιστη θερμοκρασία περίπου 38 K, ενώ το νέο GTLT μπορεί να προσφέρει ουσιαστική ισχύ ψύξης σε θερμοκρασίες κάτω των 30 K», λέει ο Fralick. "Με την ενίσχυση της απόδοσης ψύξης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, το GTLT διευρύνει το φάσμα των εφαρμογών που μπορούν να αντιμετωπιστούν με την τεχνολογία μας."

Ηλιακή δύναμη
Σημασία έχει η απόδοση Το CryoTel GTLT που κυκλοφόρησε πρόσφατα παρέχει ουσιαστική ισχύ ψύξης σε θερμοκρασίες έως και 30 K, περίπου 10 K χαμηλότερες από το τυπικό μοντέλο GT, ενώ ένα ενημερωμένο σύστημα ενεργητικής ακύρωσης κραδασμών, AVC-GEN2, προσφέρει 10πλάσια μείωση των εξαγόμενων κραδασμών στο συχνότητα λειτουργίας 60 Hz σε σύγκριση με τον τυπικό παθητικό εξισορροπητή. (Ευγενική προσφορά: Sunpower, Inc.)

Η εταιρεία εργάζεται επίσης για τη μείωση του επιπέδου των κραδασμών που εξάγονται από τους κρυοψύκτες, καθώς οι υπερβολικοί κραδασμοί που δημιουργούνται από τα ταλαντευόμενα εξαρτήματα έχουν περιορίσει την υιοθέτηση των κρυοψύκτη Stirling σε ορισμένες εφαρμογές. Όλοι οι κρυοψύκτες είναι εξοπλισμένοι με παθητικό εξισορροπητή στάνταρ, ενώ η Sunpower προσφέρει επίσης την επιλογή ενεργητικής ακύρωσης κραδασμών (AVC) σε όλα τα όργανα της σειράς προϊόντων της.

Η αρχική προσφορά AVC της εταιρείας μείωσε το επίπεδο των εξαγόμενων κραδασμών κατά πέντε φορές, ενώ η τελευταία της κυκλοφορία – ο εξισορροπητής AVC-GEN2 – προσφέρει μια επιπλέον διπλάσια βελτίωση της απόδοσης. «Αυτό αποφέρει δέκα φορές μείωση των εξαγόμενων δονήσεων σε σύγκριση με τον παθητικό εξισορροπητή, κάτι που είναι ένα κρίσιμο όφελος για τους πελάτες που εξερευνούν εφαρμογές στην κβαντική τεχνολογία», λέει ο Fralick. "Ο συνδυασμός του CryoTel GTLT με τον ενεργό εξισορροπητή AVC-GEN2 προσφέρει μια συμπαγή λύση που προσφέρει την απόδοση που απαιτείται για αυτές τις εφαρμογές."

Πράγματι, το σύστημα QKD που αναπτύχθηκε στο TU Berlin χρησιμοποιεί και τις δύο αυτές καινοτομίες για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του πομπού κβαντικών κουκκίδων, ενώ παράλληλα ελαχιστοποιεί τους κραδασμούς μέσα στα όρια της μονάδας με το κλειδί στο χέρι. Ένας άλλος βασικός πελάτης στον τομέα των κβαντικών είναι η βρετανική νεοσύστατη εταιρεία Aegiq, η οποία έχει αναπτύξει μια εμπορική πηγή μονοφωτόνιου που εκμεταλλεύεται συμπαγή κρυογονική ψύξη, διασφαλίζοντας ότι η μονάδα της χωράει μέσα σε ένα ράφι 19 ιντσών.

Η Sunpower συνεχίζει να κάνει βελτιώσεις στα προϊόντα και την τεχνολογία της, με συνεχή προσπάθεια προς χαμηλότερες θερμοκρασίες, υψηλότερη ψύξη και χαμηλότερα επίπεδα εξαγόμενων κραδασμών. «Οι κβαντικές εφαρμογές αναπτύσσονται γρήγορα και η Sunpower επικεντρώνεται στην παροχή των τεχνολογικών προόδων που ικανοποιούν τις απαιτήσεις των πελατών σε αυτόν τον τομέα», λέει ο Fralick.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής