Fajne triki oferują nowe rozwiązania dla sieci kwantowych – Świat Fizyki

Fajne triki oferują nowe rozwiązania dla sieci kwantowych – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 7 listopada 2023 5:53

Chłodnice kriogeniczne z tłokiem swobodnym firmy Sunpower, Inc., spółki AMETEK, Inc., zapewniają wydajność potrzebną do wydajnej emisji pojedynczych fotonów, a jednocześnie mieszczą się w standardowym module montowanym w stojaku

Beztłokowa chłodnica kriogeniczna firmy Sunpower
Do królestwa kwantowego Najnowsza wersja beztłokowej chłodnicy kriogenicznej firmy Sunpower zapewnia wydajność niezbędną dla nowej generacji zintegrowanych źródeł pojedynczych fotonów. (Dzięki uprzejmości: Sunpower, Inc.)

Powstające systemy komunikacji kwantowej i kryptografii opierają się na możliwości przesyłania pojedynczych fotonów z dużą wiernością. Wykazano, że emitery pojedynczych fotonów oparte na kropkach kwantowych chłodzonych do temperatur kriogenicznych wytwarzają nieodróżnialne pojedyncze fotony o dużej jasności, ale w celu praktycznego zastosowania w rzeczywistych sieciach komunikacyjnych zarówno źródło pojedynczego fotonu, jak i jego mechanizm chłodzący muszą być zintegrowane w standardowym jednostka montowana w stojaku.

Naukowcy z TU Berlin wykazali niedawno, że tę trudną integrację można osiągnąć za pomocą chłodnicy kriogenicznej Stirlinga dostarczonej przez firmę AMETEK Moc słoneczna. Zbudowali stanowisko testowe typu plug-and-play do dystrybucji klucza kwantowego, które emituje impulsy pojedynczych fotonów na falach telekomunikacyjnych i które łączy urządzenie z kropką kwantową, chłodnicę kriogeniczną i wszystkie powiązane komponenty optyczne w samodzielny 19-calowy moduł (Zał. Fiz. Obrót silnika. 9 011412).

Inne wersje takich emiterów kropek kwantowych zazwyczaj wymagałyby nieporęcznego i złożonego układu chłodzenia, aby umożliwić pracę w temperaturach poniżej około 50 K, ale naukowcy z TU Berlin odkryli, że kompaktowa chłodnica kriogeniczna Stirlinga była w stanie utrzymać wymaganą temperaturę roboczą bez wprowadzania niepożądanych wibracje do układu. Te chłodnice kriogeniczne są już szeroko stosowane w instrumentach naukowych wymagających cichego tła, takich jak detektory podczerwieni i fal radiowych do teleskopów oraz nadprzewodnikowe urządzenia interferencji kwantowej (SQUID), natomiast najnowsze ulepszenia konstrukcyjne zwiększają ich atrakcyjność w zastosowaniach z bardziej wymagającymi wymagania.

Konstrukcja Sunpower charakteryzuje się mechanizmem z wolnym tłokiem, który wykorzystuje łożyska gazowe, aby umożliwić pracę bez tarcia. „Ruch tłoka jest napędzany przez sterownik elektroniczny, podczas gdy oscylacje ruchomych części ładują łożyska gazowe, umożliwiając tłokowi i pływakowi lewitację na warstwie gazu” – wyjaśnia Cliff Fralick z AMETEK Moc słoneczna. „Nie wymaga smarowania ani konserwacji, co gwarantuje, że te hermetycznie uszczelnione chłodnice kriogeniczne będą miały długą i niezawodną żywotność”.

Taka bezkontaktowa praca sprawiła, że ​​te chłodnice kriogeniczne z wolnym tłokiem są popularnym wyborem w zastosowaniach wymagających niezawodnych i solidnych rozwiązań chłodzących. Jednym z wyróżniających się przykładów było urządzenie zaprojektowane do chłodzenia spektrometru obrazującego na pokładzie misji kosmicznej NASA RHESSI, wystrzelonej w 2002 roku w celu badania energetycznych cząstek uwalnianych podczas rozbłysków słonecznych. Pomimo tego, że misja docelowa miała trwać zaledwie dwa lata, kriochłodnica umożliwiła spektrometrowi rejestrowanie obrazów przez 16 lat, aż do ostatecznego wycofania instrumentu z eksploatacji w 2018 r.

Konstrukcja beztłokowa Sunpower zapewnia również wyższą moc chłodzenia i lepszą wydajność cieplną niż inne chłodnice kriogeniczne dostępne na rynku. Jeden z najpotężniejszych modeli w ofercie kompaktowych urządzeń firmy, Cryotel GT, usuwa ciepło z mocą 16 W przy mocy wejściowej 240 W, utrzymując temperaturę 77 K, osiągając wydajność chłodzenia na poziomie prawie 20% teoretyczna granica Carnota. Ponadto wysoka moc właściwa konstrukcji pozwala na zastosowanie mniejszych rozmiarów, przy czym GT ma długość 276 mm i średnicę 83 mm, a masa wynosi zaledwie 3 kg.

Takie parametry konstrukcyjne sprawiły, że chłodnice kriogeniczne firmy Sunpower są popularnym wyborem w przypadku instrumentów, które muszą wychwytywać słabe sygnały. „Aby wykryć obiekt wytwarzający bardzo mało energii, konieczne jest wygenerowanie bardzo zimnego tła, aby zminimalizować poziom szumów i poprawić stosunek sygnału do szumu” – mówi Fralick. „Dotyczy to wielu zastosowań naukowych, takich jak detektory podczerwieni, SQUID, wzmacniacze niskoszumowe, instrumenty teleskopowe i komunikacja w przestrzeni kosmicznej”.

Najnowsze innowacje zwiększyły obecnie atrakcyjność chłodnic kriogenicznych firmy Sunpower w szeregu nowych zastosowań, szczególnie w rozwijającej się dziedzinie technologii kwantowej. Firma wypuściła niedawno wersję premium GT, która oferuje minimalną temperaturę o około 10 K niższą niż wersja standardowa, jednocześnie zwiększając użyteczną pojemność cieplną w temperaturach od 30 do 50 K.

„GT zazwyczaj osiąga minimalną temperaturę około 38 K, podczas gdy nowy GTLT może zapewnić znaczną moc chłodzenia w temperaturach do 30 K” – mówi Fralick. „Poprzez zwiększenie wydajności chłodzenia w niższych temperaturach, GTLT poszerza zakres zastosowań, które można rozwiązać dzięki naszej technologii.”

Moc słoneczna
Wydajność ma znaczenie Niedawno wprowadzony na rynek CryoTel GTLT zapewnia znaczną moc chłodzenia w temperaturach do 30 K, czyli o około 10 K mniej niż standardowy model GT, podczas gdy zaktualizowany system aktywnej eliminacji wibracji AVC-GEN2 zapewnia 10-krotną redukcję eksportowanych wibracji przy częstotliwość pracy 60 Hz w porównaniu do standardowego balansera pasywnego. (Dzięki uprzejmości: Sunpower, Inc.)

Firma pracowała również nad zmniejszeniem poziomu wibracji wytwarzanych przez chłodnice kriogeniczne, ponieważ nadmierne wibracje wytwarzane przez oscylujące elementy ograniczyły zastosowanie kriogenierów Stirlinga w niektórych zastosowaniach. Wszystkie chłodnice kriogeniczne są standardowo wyposażone w pasywny stabilizator, natomiast firma Sunpower oferuje również opcję aktywnej eliminacji wibracji (AVC) we wszystkich instrumentach w swoim asortymencie.

Początkowa oferta firmy AVC zmniejszyła poziom eksportowanych wibracji pięciokrotnie, podczas gdy jej najnowsza wersja – wyważarka AVC-GEN2 – zapewnia dalszą dwukrotną poprawę wydajności. „Zapewnia to dziesięciokrotną redukcję eksportowanych wibracji w porównaniu z pasywnym stabilizatorem, co stanowi kluczową korzyść dla klientów poszukujących zastosowań w technologii kwantowej” – mówi Fralick. „Połączenie CryoTel GTLT z aktywnym balanserem AVC-GEN2 oferuje kompaktowe rozwiązanie, które zapewnia wydajność wymaganą w tych zastosowaniach.”

Rzeczywiście, system QKD opracowany na TU Berlin wykorzystuje obie te innowacje w celu optymalizacji wydajności emitera kropek kwantowych, jednocześnie minimalizując wibracje wewnątrz modułu gotowego do użycia. Innym kluczowym klientem w sektorze kwantowym jest brytyjska firma typu start-up Aegiq, która opracowała komercyjne źródło pojedynczych fotonów wykorzystujące kompaktowe chłodzenie kriogeniczne, dzięki czemu jego moduł mieści się w 19-calowej szafie typu rack.

Sunpower stale udoskonala swoje produkty i technologię, dążąc do niższych temperatur, wyższej wydajności chłodzenia i niższych poziomów eksportowanych wibracji. „Aplikacje kwantowe szybko się rozwijają, a firma Sunpower koncentruje się na dostarczaniu postępów technologicznych, które spełniają wymagania klientów w tej dziedzinie” – mówi Fralick.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki