Des astuces intéressantes offrent de nouvelles solutions pour les réseaux quantiques – Physics World

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Horodatage: 7 novembre 2023, 5 h 53

Refroidisseurs cryogéniques à piston libre de Sunpower, Inc., une entreprise d'AMETEK, Inc., offrent les performances nécessaires pour une émission efficace de photons uniques tout en s'insérant dans un module standard monté en rack

Le refroidisseur cryogénique à piston libre de Sunpower
Dans le domaine quantique La dernière version du refroidisseur cryogénique à piston libre de Sunpower offre les performances nécessaires à une nouvelle génération de sources intégrées à photons uniques. (Avec l'aimable autorisation de Sunpower, Inc.)

Les systèmes émergents de communications quantiques et de cryptographie reposent sur la capacité de transmettre des photons uniques avec une haute fidélité. Il a été démontré que les émetteurs de photons uniques basés sur des points quantiques refroidis à des températures cryogéniques produisent des photons uniques indiscernables avec une luminosité élevée, mais pour une utilisation pratique dans les réseaux de communication du monde réel, la source de photons uniques et son mécanisme de refroidissement doivent être intégrés dans une norme. unité montée en rack.

Des scientifiques de la TU Berlin ont récemment montré que cette intégration délicate peut être réalisée avec un refroidisseur cryogénique Stirling fourni par AMETEK La puissance solaire. Ils ont construit un banc d'essai plug-and-play pour la distribution de clés quantiques qui émet des impulsions à photons uniques aux longueurs d'onde des télécommunications et qui combine le dispositif à points quantiques, le refroidisseur cryogénique et tous les composants optiques associés dans un module autonome de 19 pouces (Appl. Phys. Tour. 9 011412).

D'autres itérations de tels émetteurs de points quantiques nécessiteraient généralement un système de refroidissement volumineux et complexe pour permettre un fonctionnement à des températures inférieures à environ 50 K, mais les scientifiques de la TU Berlin ont découvert que le cryo-refroidisseur compact de Stirling était capable de maintenir la température de fonctionnement requise sans introduire d'éléments indésirables. vibrations dans le système. Ces refroidisseurs cryogéniques sont déjà largement utilisés dans les instruments scientifiques qui nécessitent un bruit de fond faible, tels que les détecteurs infrarouges et d'ondes radio pour les télescopes et les dispositifs supraconducteurs à interférence quantique (SQUID), tandis que les récentes améliorations de conception élargissent leur attrait pour les applications avec des exigences plus élevées. exigences.

La conception Sunpower comprend un mécanisme à piston libre qui exploite des roulements à gaz pour permettre un fonctionnement sans friction. "Le mouvement du piston est piloté par un contrôleur électronique, tandis que l'oscillation des pièces mobiles charge les paliers à gaz pour permettre au piston et au déplaceur de léviter sur un film de gaz", explique Cliff Fralick de AMETEK La puissance solaire. "Aucune lubrification n'est utilisée et aucun entretien n'est nécessaire, ce qui garantit à ces cryo-refroidisseurs hermétiquement fermés une durée de vie longue et fiable."

Un tel fonctionnement sans contact a fait de ces cryo-refroidisseurs à piston libre un choix populaire pour les applications qui exigent des solutions de refroidissement fiables et robustes. Un exemple frappant est celui d'un dispositif conçu pour refroidir un spectromètre imageur à bord de la mission spatiale RHESSI de la NASA, lancée en 2002 pour étudier les particules énergétiques libérées lors des éruptions solaires. Malgré une durée de vie cible de seulement deux ans, le refroidisseur cryogénique a permis au spectromètre de continuer à capturer des images pendant 16 ans, jusqu'à ce que l'instrument soit finalement mis hors service en 2018.

La conception à piston libre de Sunpower offre également des puissances de refroidissement plus élevées et une meilleure efficacité thermique que les autres refroidisseurs cryogéniques du marché. L'un des modèles les plus puissants de la gamme d'appareils compacts de l'entreprise, le Cryotel GT, élimine la chaleur à raison de 16 W avec 240 W de puissance d'entrée tout en maintenant une température de 77 K, atteignant une efficacité de refroidissement de près de 20 % de la limite théorique de Carnot. De plus, la puissance spécifique élevée de la conception permet une taille plus petite, la GT mesurant 276 mm de long et 83 mm de diamètre, et avec une masse de seulement 3 kg.

De tels paramètres de conception ont fait du refroidisseur cryogénique de Sunpower un choix populaire pour les instruments qui doivent capter des signaux faibles. "Afin de détecter quelque chose qui produit très peu d'énergie, il est nécessaire de générer un fond très froid pour minimiser le bruit de fond et améliorer le rapport signal/bruit", explique Fralick. "Cela s'applique à de nombreuses applications scientifiques telles que les détecteurs infrarouges, les SQUID, les amplificateurs à faible bruit, les instruments de télescope et les communications dans l'espace lointain."

Des innovations récentes ont désormais élargi l'attrait des cryo-refroidisseurs de Sunpower pour une gamme de nouvelles applications, en particulier dans le domaine en pleine croissance de la technologie quantique. La société a récemment lancé une version premium du GT qui offre une température minimale d'environ 10 K inférieure à la version standard, tout en augmentant également la capacité de charge thermique utilisable à des températures comprises entre 30 et 50 K.

« Le GT a généralement une température minimale d'environ 38 K, tandis que le nouveau GTLT peut fournir une puissance de refroidissement significative à des températures allant jusqu'à 30 K », explique Fralick. "En augmentant les performances de refroidissement à des températures plus basses, le GTLT élargit la gamme d'applications pouvant être traitées avec notre technologie."

Sunpower
La performance compte Le CryoTel GTLT récemment lancé fournit une puissance de refroidissement significative à des températures allant jusqu'à 30 K, soit environ 10 K de moins que le modèle GT standard, tandis qu'un système mis à jour pour l'annulation active des vibrations, AVC-GEN2, offre une réduction de 10 fois des vibrations exportées au niveau de la température. fréquence de fonctionnement de 60 Hz par rapport à l'équilibreur passif standard. (Avec l'aimable autorisation de Sunpower, Inc.)

L'entreprise s'est également efforcée de réduire le niveau de vibrations émis par les cryo-refroidisseurs, car les vibrations excessives créées par les composants oscillants ont limité l'adoption des cryo-refroidisseurs Stirling dans certaines applications. Tous les refroidisseurs cryogéniques sont équipés en standard d'un équilibreur passif, tandis que Sunpower propose également l'option d'annulation active des vibrations (AVC) sur tous les instruments de sa gamme de produits.

L'offre AVC initiale de la société a réduit le niveau de vibrations exportées d'un facteur cinq, tandis que sa dernière version – l'équilibreur AVC-GEN2 – offre une amélioration supplémentaire de deux fois les performances. "Cela permet de réduire de dix fois les vibrations exportées par rapport à l'équilibreur passif, ce qui constitue un avantage essentiel pour les clients qui explorent des applications dans la technologie quantique", explique Fralick. « La combinaison du CryoTel GTLT avec l'équilibreur actif AVC-GEN2 offre une solution compacte qui offre les performances nécessaires à ces applications. »

En effet, le système QKD développé à la TU Berlin utilise ces deux innovations pour optimiser les performances de l'émetteur de points quantiques tout en minimisant les vibrations à l'intérieur des limites du module clé en main. Un autre client clé du secteur quantique est la start-up britannique Aegiq, qui a développé une source commerciale à photon unique qui exploite un refroidissement cryogénique compact, garantissant que son module tient dans un rack de 19 pouces.

Sunpower continue d'améliorer ses produits et sa technologie, en s'efforçant continuellement d'obtenir des températures plus froides, une capacité de refroidissement plus élevée et des niveaux de vibrations exportés plus faibles. « Les applications quantiques se développent rapidement et Sunpower se concentre sur la fourniture d'avancées technologiques qui répondent aux demandes des clients dans ce domaine », déclare Fralick.

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