Trucchi interessanti offrono nuove soluzioni per le reti quantistiche – Physics World

I sistemi emergenti per le comunicazioni quantistiche e la crittografia si basano sulla capacità di trasmettere singoli fotoni con alta fedeltà. È stato dimostrato che gli emettitori a fotone singolo basati su punti quantici raffreddati a temperature criogeniche producono fotoni singoli indistinguibili con elevata luminosità, ma per l'uso pratico nelle reti di comunicazione del mondo reale sia la sorgente a fotone singolo che il suo meccanismo di raffreddamento devono essere integrati in uno standard unità montata su rack.

Gli scienziati della TU di Berlino hanno recentemente dimostrato che questa complessa integrazione può essere ottenuta con un criorefrigeratore Stirling fornito da AMETEK Energia solare. Hanno costruito un banco di prova plug-and-play per la distribuzione delle chiavi quantistiche che emette impulsi di singoli fotoni alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni e che combina il dispositivo a punti quantici, il criorefrigeratore e tutti i componenti ottici associati in un modulo autonomo da 19 pollici.Appl. Fis. rev. 9 011412).

Altre iterazioni di tali emettitori di punti quantici richiederebbero in genere un sistema di raffreddamento ingombrante e complesso per consentire il funzionamento a temperature inferiori a circa 50 K, ma gli scienziati della TU di Berlino hanno scoperto che il compatto criorefrigeratore Stirling era in grado di mantenere la temperatura operativa richiesta senza introdurre sostanze indesiderate vibrazioni nel sistema. Questi criorefrigeratori sono già ampiamente utilizzati in strumenti scientifici che richiedono un rumore di fondo basso, come rilevatori di infrarossi e onde radio per telescopi e dispositivi superconduttori di interferenza quantistica (SQUID), mentre recenti miglioramenti progettuali stanno ampliando il loro interesse per applicazioni con requisiti più esigenti. requisiti.

Il design Sunpower presenta un meccanismo a pistone libero che sfrutta i cuscinetti a gas per consentire un funzionamento senza attrito. "Il movimento del pistone è guidato da un controller elettronico, mentre l'oscillazione delle parti mobili carica i cuscinetti del gas per consentire al pistone e al dislocatore di levitare su una pellicola di gas", spiega Cliff Fralick di AMETEK Energia solare. "Non viene utilizzata alcuna lubrificazione né è necessaria alcuna manutenzione, il che garantisce che questi criorefrigeratori sigillati ermeticamente avranno una durata lunga e affidabile."

Questo funzionamento senza contatto ha reso questi criorefrigeratori a pistone libero una scelta popolare per le applicazioni che richiedono soluzioni di raffreddamento affidabili e robuste. Un esempio lampante è stato un dispositivo progettato per raffreddare uno spettrometro per immagini a bordo della missione spaziale RHESSI della NASA, lanciata nel 2002 per studiare le particelle energetiche rilasciate nei brillamenti solari. Nonostante una durata prevista della missione di soli due anni, il criorefrigeratore ha consentito allo spettrometro di continuare a catturare immagini per 16 anni, fino alla definitiva disattivazione dello strumento nel 2018.

Il design a pistone libero di Sunpower offre inoltre potenze di raffreddamento più elevate e una migliore efficienza termica rispetto ad altri criorefrigeratori sul mercato. Uno dei modelli più potenti della gamma di dispositivi compatti dell'azienda, Cryotel GT, rimuove il calore a una velocità di 16 W con 240 W di potenza in ingresso mantenendo una temperatura di 77 K, ottenendo un'efficienza di raffreddamento di quasi il 20% del valore Limite teorico di Carnot. Inoltre, l'elevata potenza specifica del progetto consente dimensioni più ridotte, con la GT che misura 276 mm di lunghezza e 83 mm di diametro e con una massa di soli 3 kg.

Tali parametri di progettazione hanno reso il criorefrigeratore di Sunpower una scelta popolare per gli strumenti che devono captare segnali deboli. "Per rilevare qualcosa che produce pochissima energia, è necessario generare uno sfondo molto freddo per ridurre al minimo il rumore di fondo e migliorare il rapporto segnale-rumore", afferma Fralick. “Ciò vale per molte applicazioni scientifiche come rilevatori a infrarossi, SQUID, amplificatori a basso rumore, strumenti per telescopi e comunicazioni nello spazio profondo”.

Le recenti innovazioni hanno ora ampliato l’attrattiva dei criorefrigeratori Sunpower per una gamma di nuove applicazioni, in particolare nel campo in crescita della tecnologia quantistica. L'azienda ha recentemente rilasciato una versione premium della GT che offre una temperatura minima inferiore di circa 10 K rispetto alla versione standard, aumentando allo stesso tempo la capacità di carico termico utilizzabile a temperature comprese tra 30 e 50 K.

"La GT ha in genere una temperatura minima di circa 38 K, mentre la nuova GTLT può fornire una potenza di raffreddamento significativa a temperature fino a 30 K", afferma Fralick. “Aumentando le prestazioni di raffreddamento a temperature più basse, GTLT amplia la gamma di applicazioni che possono essere affrontate con la nostra tecnologia.”

L'azienda ha inoltre lavorato per ridurre il livello di vibrazioni emesse dai criorefrigeratori, poiché le vibrazioni eccessive create dai componenti oscillanti hanno limitato l'adozione dei criorefrigeratori Stirling in determinate applicazioni. Tutti i criorefrigeratori sono dotati di serie di un bilanciatore passivo, mentre Sunpower offre anche l'opzione di cancellazione attiva delle vibrazioni (AVC) su tutti gli strumenti della sua gamma di prodotti.

L’offerta AVC iniziale dell’azienda ha ridotto il livello di vibrazioni esportate di un fattore cinque, mentre la sua ultima versione – il bilanciatore AVC-GEN2 – offre un ulteriore duplice miglioramento delle prestazioni. “Ciò produce una riduzione di dieci volte delle vibrazioni esportate rispetto al bilanciatore passivo, il che rappresenta un vantaggio fondamentale per i clienti che stanno esplorando applicazioni nella tecnologia quantistica”, afferma Fralick. “La combinazione di CryoTel GTLT con il bilanciatore attivo AVC-GEN2 offre una soluzione compatta che offre le prestazioni necessarie per queste applicazioni.”

In effetti, il sistema QKD sviluppato alla TU di Berlino si avvale di entrambe queste innovazioni per ottimizzare le prestazioni dell’emettitore di punti quantici riducendo al minimo le vibrazioni all’interno dei confini del modulo chiavi in ​​mano. Un altro cliente chiave nel settore quantistico è la start-up britannica Aegiq, che ha sviluppato una sorgente commerciale a fotone singolo che sfrutta il raffreddamento criogenico compatto, garantendo che il suo modulo si inserisca in un rack da 19 pollici.

Sunpower continua ad apportare miglioramenti ai propri prodotti e alla propria tecnologia, con una spinta continua verso temperature più fredde, maggiore capacità di raffreddamento e livelli inferiori di vibrazioni esportate. "Le applicazioni quantistiche stanno crescendo rapidamente e Sunpower è focalizzata sulla fornitura di progressi tecnologici che soddisfino le richieste dei clienti in questo campo", afferma Fralick.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/cool-tricks-offer-new-solutions-for-quantum-networking/