양자 네트워킹을 위한 새로운 솔루션을 제공하는 멋진 트릭 – Physics World

양자 네트워킹을 위한 새로운 솔루션을 제공하는 멋진 트릭 – Physics World

타임 스탬프 : 7 년 2023 월 5 일 오전 53:XNUMX

AMETEK, Inc.의 사업부인 Sunpower, Inc.의 프리 피스톤 극저온 냉각기, 표준 랙 장착형 모듈 내부에 여전히 적합하면서 효율적인 단일 광자 방출에 필요한 성능을 제공합니다.

Sunpower의 자유 피스톤 극저온 냉각기
양자 영역으로 Sunpower의 자유 피스톤 극저온 냉각기 최신 버전은 차세대 통합 단일 광자 소스에 필요한 성능을 제공합니다. (제공: Sunpower, Inc.)

양자 통신 및 암호화를 위한 새로운 시스템은 단일 광자를 높은 충실도로 전송하는 기능에 의존합니다. 극저온으로 냉각된 양자점을 기반으로 한 단일 광자 방출기는 구별할 수 없는 고휘도의 단일 광자를 생성하는 것으로 나타났습니다. 그러나 실제 통신 네트워크에서 실제로 사용하려면 단일 광자 소스와 냉각 메커니즘이 모두 표준에 통합되어야 합니다. 랙 장착 장치.

TU Berlin의 과학자들은 최근에 공급된 스털링 극저온 냉각기를 사용하여 이 까다로운 통합을 달성할 수 있음을 보여주었습니다. AMETEK 태양력. 그들은 통신 파장에서 단일 광자 펄스를 방출하고 양자점 장치, 극저온 냉각기 및 모든 관련 광학 구성 요소를 독립형 19인치 모듈에 결합하는 양자 키 분배를 위한 플러그 앤 플레이 테스트베드를 구축했습니다.Appl. Phys. 신부님. 9 011412).

이러한 양자점 방출기의 다른 반복에는 일반적으로 약 50K 미만의 온도에서 작동을 가능하게 하기 위해 부피가 크고 복잡한 냉각 시스템이 필요하지만 TU Berlin의 과학자들은 소형 스털링 극저온 냉각기가 원하지 않는 온도를 도입하지 않고 필요한 작동 온도를 유지할 수 있음을 발견했습니다. 시스템에 진동이 발생합니다. 이러한 극저온 냉각기는 이미 망원경용 적외선 및 전파 검출기, 초전도 양자 간섭 장치(SQUID) 등 저잡음 배경이 필요한 과학 기기에 널리 사용되고 있으며, 최근 설계 개선으로 더욱 까다로운 응용 분야에 대한 매력이 확대되고 있습니다. 요구 사항.

Sunpower 설계는 가스 베어링을 활용하여 마찰 없는 작동을 가능하게 하는 자유 피스톤 메커니즘을 특징으로 합니다. "피스톤의 움직임은 전자 컨트롤러에 의해 구동되는 반면, 움직이는 부품의 진동은 가스 베어링을 충전하여 피스톤과 디스플레이서가 가스 막 위에서 공중에 떠오를 수 있게 해줍니다."라고 Cliff Fralick은 설명합니다. AMETEK 태양력. "윤활유가 사용되지 않으며 유지 관리도 필요하지 않습니다. 따라서 밀봉된 이 극저온 냉각기는 길고 신뢰할 수 있는 수명을 보장합니다."

이러한 비접촉식 작동으로 인해 이러한 자유 피스톤 극저온 냉각기는 안정적이고 견고한 냉각 솔루션이 필요한 응용 분야에서 인기 있는 선택이 되었습니다. 눈에 띄는 사례 중 하나는 태양 플레어에서 방출되는 에너지 입자를 연구하기 위해 2002년에 출시된 NASA의 RHESSI 우주 임무에 탑재된 이미징 분광계를 냉각하기 위해 설계된 장치였습니다. 목표 수명이 16년에 불과함에도 불구하고 극저온 냉각기를 사용하면 기기가 2018년에 최종적으로 폐기될 때까지 분광계가 XNUMX년 동안 이미지를 계속 캡처할 수 있었습니다.

Sunpower의 자유 피스톤 설계는 시중의 다른 극저온 냉각기보다 더 높은 냉각 성능과 더 나은 열 효율을 제공합니다. 회사의 소형 장치 제품군 중 가장 강력한 모델 중 하나인 Cryotel GT는 16K의 온도를 유지하면서 240W의 입력 전력으로 77W의 속도로 열을 제거하여 냉각 효율이 거의 20%에 달합니다. 이론적 카르노 한계. 또한, 디자인의 높은 비력으로 인해 GT의 길이는 276mm, 직경은 83mm이고 질량은 3kg에 불과하여 더 작은 크기가 가능합니다.

이러한 설계 매개변수로 인해 Sunpower의 극저온 냉각기는 희미한 신호를 포착해야 하는 장비에 널리 사용됩니다. “에너지가 거의 발생하지 않는 것을 감지하려면 매우 차가운 배경을 생성하여 노이즈 플로어를 최소화하고 신호 대 노이즈 비율을 개선해야 합니다.”라고 Fralick은 말합니다. "이는 적외선 탐지기, SQUID, 저잡음 증폭기, 망원경 장비 및 우주 통신과 같은 많은 과학 응용 분야에 적용됩니다."

최근의 혁신으로 인해 특히 성장하고 있는 양자 기술 분야에서 다양한 새로운 응용 분야에 대한 Sunpower 극저온 냉각기의 매력이 더욱 확대되었습니다. 이 회사는 최근 표준 버전보다 최소 온도가 약 10K 낮은 동시에 30~50K 사이의 온도에서 사용 가능한 열부하 용량을 늘리는 프리미엄 버전의 GT를 출시했습니다.

“GT의 최소 온도는 일반적으로 약 38K인 반면, 새로운 GTLT는 최저 30K의 온도에서도 의미 있는 냉각 성능을 제공할 수 있습니다.”라고 Fralick은 말합니다. "낮은 온도에서 냉각 성능을 향상함으로써 GTLT는 우리 기술로 해결할 수 있는 응용 범위를 확장합니다."

태양력
성능 문제 최근 출시된 CryoTel GTLT는 표준 GT 모델보다 약 30K 낮은 10K까지의 온도에서 의미 있는 냉각 성능을 제공하는 반면, 능동형 진동 제거를 위한 업데이트된 방식인 AVC-GEN2는 내보낸 진동을 10배 감소시킵니다. 표준 패시브 밸런서와 비교하여 작동 주파수는 60Hz입니다. (제공: Sunpower, Inc.)

회사는 또한 진동 구성 요소에 의해 생성된 과도한 진동으로 인해 특정 응용 분야에서 스털링 극저온 냉각기의 채택이 제한되었기 때문에 극저온 냉각기에서 내보내지는 진동 수준을 줄이기 위해 노력해 왔습니다. 모든 극저온 냉각기에는 패시브 밸런서가 표준으로 장착되어 있으며, Sunpower는 제품군의 모든 기기에 걸쳐 AVC(능동 진동 제거) 옵션도 제공합니다.

회사의 초기 AVC 제품은 내보내는 진동 수준을 2배로 줄였으며 최신 릴리스인 AVC-GEN2 밸런서는 성능을 XNUMX배 더 향상시켰습니다. “이는 패시브 밸런서에 비해 내보낸 진동이 XNUMX배 감소합니다. 이는 양자 기술 응용 분야를 탐색하는 고객에게 중요한 이점입니다.”라고 Fralick은 말합니다. "CryoTel GTLT를 AVC-GENXNUMX 액티브 밸런서와 결합하면 이러한 애플리케이션에 필요한 성능을 제공하는 컴팩트 솔루션이 제공됩니다."

실제로 TU Berlin에서 개발된 QKD 시스템은 이러한 혁신을 모두 활용하여 퀀텀닷 방출기의 성능을 최적화하는 동시에 턴키 모듈 범위 내에서 진동을 최소화합니다. 양자 분야의 또 다른 주요 고객은 영국 신생 기업인 Aegiq입니다. 이 회사는 소형 극저온 냉각을 활용하여 해당 모듈이 19인치 랙 안에 들어갈 수 있도록 하는 상업용 단일 광자 소스를 개발했습니다.

Sunpower는 더 낮은 온도, 더 높은 용량의 냉각, 더 낮은 수준의 진동 전달을 향한 지속적인 노력을 통해 제품과 기술을 지속적으로 개선하고 있습니다. “양자 애플리케이션은 빠르게 성장하고 있으며 Sunpower는 이 분야 고객의 요구를 충족하는 기술 발전을 제공하는 데 중점을 두고 있습니다.”라고 Fralick은 말합니다.

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