Kule triks tilbyr nye løsninger for kvantenettverk – Physics World

Fremvoksende systemer for kvantekommunikasjon og kryptografi er avhengige av evnen til å overføre enkeltfotoner med høy kvalitet. Enkeltfotonemittere basert på kvanteprikker avkjølt til kryogene temperaturer har vist seg å produsere utskillelige enkeltfotoner med høy lysstyrke, men for praktisk bruk i virkelige kommunikasjonsnettverk må både enkeltfotonkilden og dens kjølemekanisme integreres i en standard stativmontert enhet.

Forskere ved TU Berlin har nylig vist at denne vanskelige integrasjonen kan oppnås med en Stirling kryokjøler levert av AMETEK Solkraft. De har bygget en plug-and-play testbed for kvantenøkkeldistribusjon som sender ut enkeltfotonpulser ved telekommunikasjonsbølgelengder, og som kombinerer kvantepunktenheten, kryokjøleren og alle de tilhørende optiske komponentene til en frittstående 19-tommers modul (Appl. Fys. Rev. 9 011412).

Andre iterasjoner av slike kvantepunktutsendere vil typisk kreve et klumpete og komplekst kjølesystem for å muliggjøre drift ved temperaturer under omtrent 50 K, men forskerne ved TU Berlin fant at den kompakte Stirling kryokjøleren var i stand til å opprettholde den nødvendige driftstemperaturen uten å introdusere uønsket vibrasjoner inn i systemet. Disse kryokjølerne er allerede mye brukt i vitenskapelige instrumenter som krever en bakgrunn med lavt støynivå, for eksempel infrarøde og radiobølgedetektorer for teleskoper og superledende kvanteinterferensenheter (SQUIDs), mens nyere designforbedringer utvider deres appell for applikasjoner med mer krevende krav.

Sunpower-designen har en fristempelmekanisme som utnytter gasslagre for å muliggjøre friksjonsfri drift. "Bevegelsen til stempelet drives av en elektronisk kontroller, mens oscillasjonen av de bevegelige delene lader gasslagrene for å gjøre det mulig for stempelet og forskyvningen å levitere på en gassfilm," forklarer Cliff Fralick til AMETEK Solkraft. "Det er ingen smøring brukt, og ingen vedlikehold nødvendig, noe som sikrer at disse hermetisk forseglede kryokjølerne vil ha en lang og pålitelig levetid."

En slik kontaktfri drift har gjort disse fristempelkryokjølerne til et populært valg for applikasjoner som krever pålitelige og robuste kjøleløsninger. Et enestående eksempel var en enhet som ble designet for å avkjøle et bildespektrometer ombord på NASAs RHESSI-romoppdrag, lansert i 2002 for å studere de energiske partiklene som frigjøres i solflammer. Til tross for en måloppdragslevetid på bare to år, gjorde kryokjøleren det mulig for spektrometeret å fortsette å ta bilder i 16 år, til instrumentet endelig ble tatt ut av drift i 2018.

Sunpowers fristempeldesign gir også høyere kjøleeffekter og en bedre termisk effektivitet enn andre kryokjølere på markedet. En av de kraftigste modellene i selskapets utvalg av kompakte enheter, Cryotel GT, fjerner varme med en hastighet på 16 W med 240 W inngangseffekt samtidig som den opprettholder en temperatur på 77 K, og oppnår en kjøleeffektivitet på nesten 20 % av teoretisk Carnot-grense. I tillegg tillater den høye spesifikke kraften til designet en mindre størrelse, med GT som måler 276 mm lang og 83 mm diameter, og med en masse på bare 3 kg.

Slike designparametere har gjort Sunpowers kryokjøler til et populært valg for instrumenter som trenger å fange opp svake signaler. "For å oppdage noe som produserer veldig lite energi, er det nødvendig å generere en veldig kald bakgrunn for å minimere støygulvet og forbedre signal-til-støy-forholdet," sier Fralick. "Det gjelder mange vitenskapelige applikasjoner som infrarøde detektorer, SQUIDs, lavstøyforsterkere, teleskopinstrumenter og dypromskommunikasjon."

Nylige innovasjoner har nå utvidet appellen til Sunpowers kryokjølere for en rekke nye bruksområder, spesielt innenfor det voksende feltet av kvanteteknologi. Selskapet har nylig sluppet en premiumversjon av GT som tilbyr en minimumstemperatur rundt 10 K lavere enn standardversjonen, samtidig som den øker den brukbare varmelastkapasiteten ved temperaturer mellom 30 og 50 K.

"GT har vanligvis en minimumstemperatur på omtrent 38 K, mens den nye GTLT kan gi meningsfull kjølekraft ved temperaturer ned til 30 K," sier Fralick. "Ved å øke kjøleytelsen ved lavere temperaturer, utvider GTLT utvalget av applikasjoner som kan løses med teknologien vår."

Selskapet har også jobbet med å redusere nivået av vibrasjoner som eksporteres fra kryokjølerne, siden overdreven vibrasjoner skapt av de oscillerende komponentene har begrenset bruken av Stirling kryokjølere i visse applikasjoner. Alle kryokjølerne er utstyrt med en passiv balanserer som standard, mens Sunpower også tilbyr mulighet for Active Vibration Cancellation (AVC) på tvers av alle instrumentene i produktutvalget.

Selskapets første AVC-tilbud reduserte nivået av eksporterte vibrasjoner med en faktor på fem, mens den siste utgivelsen – AVC-GEN2-balanseren – gir en ytterligere dobbel ytelsesforbedring. "Dette gir en ti ganger reduksjon i eksporterte vibrasjoner sammenlignet med den passive balanseren, som er en kritisk fordel for kunder som utforsker applikasjoner innen kvanteteknologi," sier Fralick. "Kombinering av CryoTel GTLT med AVC-GEN2 aktiv balanser gir en kompakt løsning som gir ytelsen som trengs for disse applikasjonene."

Faktisk bruker QKD-systemet utviklet ved TU Berlin begge disse innovasjonene for å optimere ytelsen til kvantepunktutsenderen, samtidig som vibrasjoner innenfor rammen av nøkkelferdige moduler minimeres. En annen nøkkelkunde i kvantesektoren er det britiske oppstartsselskapet Aegiq, som har utviklet en kommersiell enkeltfotonkilde som utnytter kompakt kryogenisk kjøling, og sikrer at modulen får plass i et 19-tommers stativ.

Sunpower fortsetter å gjøre forbedringer av sine produkter og teknologi, med en pågående satsing mot kaldere temperaturer, høyere kapasitetskjøling og lavere nivåer av eksportert vibrasjon. "Kvanteapplikasjoner vokser raskt, og Sunpower er fokusert på å levere teknologifremskritt som oppfyller kravene til kundene på dette feltet," sier Fralick.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/cool-tricks-offer-new-solutions-for-quantum-networking/