クールなトリックが量子ネットワーキングの新しいソリューションを提供 – Physics World

量子通信および暗号化のための新しいシステムは、単一光子を高い忠実度で送信する機能に依存しています。 極低温に冷却された量子ドットに基づく単一光子エミッターは、高輝度で区別できない単一光子を生成することが示されていますが、実際の通信ネットワークで実用化するには、単一光子源とその冷却機構の両方を標準システムに統合する必要があります。ラックマウントユニット。

ベルリン工科大の科学者らは最近、この難しい統合が、 アメテック サンパワー。 彼らは、通信波長で単一光子パルスを放射し、量子ドット デバイス、極低温冷却器、および関連するすべての光学コンポーネントをスタンドアロンの 19 インチ モジュールに統合する、量子鍵配布用のプラグ アンド プレイ テストベッドを構築しました (Appl。 物理学牧師 9 011412).

このような量子ドットエミッターの他の反復では、通常、約 50 K 未満の温度での動作を可能にするために、大型で複雑な冷却システムが必要になりますが、ベルリン工科大学の科学者らは、コンパクトなスターリング極低温冷却器が、不要な温度を導入することなく、必要な動作温度を維持できることを発見しました。システムに振動が伝わります。 これらの極低温冷却器は、望遠鏡や超電導量子干渉装置 (SQUID) 用の赤外線および電波検出器など、低ノイズのバックグラウンドを必要とする科学機器ですでに広く使用されていますが、最近の設計の改良により、より要求の厳しい用途への魅力が広がっています。要件。

サンパワーの設計は、ガスベアリングを利用して摩擦のない動作を可能にするフリーピストン機構を備えています。 「ピストンの動きは電子コントローラーによって駆動され、可動部品の振動によってガスベアリングがチャージされ、ピストンとディスプレーサーがガスの膜上で浮遊できるようになります。」とクリフ・フラリック氏は説明します。 アメテック サンパワー。 「潤滑剤は使用されておらず、メンテナンスも必要ないため、これらの密封された極低温冷却器は長く信頼できる寿命を保つことができます。」

このような非接触操作により、これらのフリーピストン極低温冷却器は、信頼性が高く堅牢な冷却ソリューションを必要とする用途に広く選ばれています。 顕著な例の 2002 つは、太陽フレアで放出される高エネルギー粒子を研究するために 16 年に打ち上げられた NASA の RHESSI 宇宙ミッションに搭載された画像分光計を冷却するように設計された装置です。 目標ミッションの寿命がわずか 2018 年であるにもかかわらず、極低温冷却器のおかげで、分光計は XNUMX 年に最終的に廃止されるまで、XNUMX 年間画像を取得し続けることができました。

サンパワーのフリーピストン設計は、市場の他の極低温冷却器よりも高い冷却力と優れた熱効率も実現します。 同社のコンパクト デバイス シリーズの中で最も強力なモデルの 16 つである Cryotel GT は、240 W の入力電力で 77 W の割合で熱を除去し、温度を 20 K に維持し、冷却効率の 276% 近くを達成します。理論上のカルノー限界。 さらに、設計の比出力が高いため、GT のサイズは長さ 83 mm、直径 3 mm、質量はわずか XNUMX kg と小型化が可能です。

このような設計パラメータにより、サンパワーの極低温冷却器は、微弱な信号を受信する必要がある機器に人気の選択肢となっています。 「生成するエネルギーが非常に少ないものを検出するには、非常に冷たいバックグラウンドを生成してノイズフロアを最小限に抑え、信号対雑音比を改善する必要があります」とフラリック氏は言います。 「これは、赤外線検出器、SQUID、低ノイズ増幅器、望遠鏡機器、深宇宙通信などの多くの科学用途に当てはまります。」

最近の技術革新により、サンパワーの極低温冷凍機の魅力は、特に成長する量子技術分野におけるさまざまな新しい用途に広がりました。 同社は最近、標準バージョンより約 10 K 低い最低温度を提供すると同時に、30 ～ 50 K の温度で使用可能な熱負荷容量を増加させる GT のプレミアム バージョンをリリースしました。

「GT の最低温度は通常約 38 K ですが、新しい GTLT は 30 K までの温度でも意味のある冷却能力を提供できます」と Fralick 氏は言います。 「GTLT は、低温での冷却性能を高めることで、当社の技術で対応できるアプリケーションの範囲を拡大します。」

同社はまた、振動部品によって生じる過剰な振動が特定の用途でのスターリング冷凍機の採用を制限しているため、冷凍機から伝わる振動のレベルを低減することにも取り組んできた。 すべての極低温冷却器にはパッシブ バランサーが標準装備されていますが、サンパワーでは製品範囲のすべての機器にアクティブ振動キャンセリング (AVC) のオプションも提供しています。

同社の最初の AVC 製品は、エクスポートされる振動のレベルを 2 分の 2 に削減しましたが、最新リリースの AVC-GENXNUMX バランサーは、さらに XNUMX 倍の性能向上を実現しました。 「これにより、パッシブ バランサーと比較して、外部に伝わる振動が XNUMX 分の XNUMX に削減されます。これは、量子技術でのアプリケーションを検討している顧客にとって、非常に大きなメリットとなります」と Fralick 氏は述べています。 「CryoTel GTLT と AVC-GENXNUMX アクティブ バランサーを組み合わせることで、これらのアプリケーションに必要なパフォーマンスを提供するコンパクトなソリューションが提供されます。」

実際、ベルリン工科大学で開発された QKD システムは、これらの革新技術の両方を利用して、量子ドット エミッタの性能を最適化すると同時に、ターンキー モジュールの範囲内の振動を最小限に抑えます。 量子分野のもう 19 つの主要顧客は、英国の新興企業 Aegiq です。同社は、コンパクトな極低温冷却を活用し、そのモジュールが XNUMX インチ ラック内に確実に収まる商用単一光子源を開発しました。

サンパワーは、より低い温度、より高い冷却能力、より低いレベルの外部振動を目指して、製品と技術の改良を続けています。 「量子アプリケーションは急速に成長しており、サンパワーはこの分野の顧客の要求を満たす技術の進歩を提供することに重点を置いています」とフラリック氏は述べています。

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