Kā Ķīna uzbūvēja viena fotona detektoru, kas darbojas kosmosā

Nakts debesu attēls virs Ķīnas. Unsplash / Gregorijs Hejs

Viens no jaunajiem atsevišķu fotonu izmantošanas veidiem ir iesaiņot tos ar kvantu informāciju un nosūtīt tos uz citu vietu. Šis paņēmiens, kas pazīstams kā kvantu komunikācija, izmanto fizikas likumus, lai nodrošinātu, ka informāciju nevar nolasīt neviens noklausītājs.

Viens no izaicinājumiem ir atrast veidus, kā nosūtīt šo kvantu informāciju visā pasaulē. Tas ir grūti, jo informācija ir trausla — jebkura mijiedarbība starp fotoniem un to vidi to iznīcina. Fotoni nevar pārvietoties vairāk nekā simts kilometrus pa atmosfēru vai optiskajām šķiedrām, ja netiek iznīcināta to nestā kvantu informācija.

Tātad ķīniešu fiziķi ir izstrādājuši risinājumu: nosūtiet fotonus uz orbītā esošu satelītu, kas tos pārsūta uz citu vietu uz Zemes virsmas. Tādā veidā var samazināt neērto pārvietošanos caur atmosfēru. Ja fotoni tiek pārraidīti no zemes stacijām lielā augstumā, to ceļojums galvenokārt notiek caur tukšas telpas vakuumu.

Bet ir problēma. Kvantu komunikācijai ir nepieciešami detektori, kas var pamanīt un izmērīt atsevišķus fotonus. Pēdējos gados fiziķi ir izstrādājuši un konstruējuši arvien jutīgākas ierīces, kas to spēj.

Tomēr šī jutība padara tos neaizsargātus pret jebkāda veida fona troksni, kas var pārslogot signālu no pašiem fotoniem. Un telpa ir piepildīta ar nevēlamu troksni augstas enerģijas daļiņu, ekstremālu temperatūru un svešas gaismas no tādiem avotiem kā saule veidā.

Būtisks izaicinājums ir izveidot viena fotona detektorus, kas var darboties šajā vidē. Tāpēc nav pārsteigums, ka fiziķi jau kādu laiku ir kasījuši galvu par šo jautājumu.

Šodien Mens Jangs un kolēģi Ķīnas Zinātnes un tehnoloģijas universitātē Hefejā saka, ka ir atrisinājuši problēmu. Viņi pat ir izmēģinājuši savu mašīnu pēdējo divu gadu laikā uz orbītas satelīta un saka, ka tā darbojas labi.

Komandas detektors izmanto fenomenu, kas pazīstams kā lavīnas sadalījums, kas īpašos apstākļos notiek pusvadītāju mikroshēmās. Pusvadītājs, piemēram, silīcijs, vada elektrisko strāvu brīvu elektronu un caurumu veidā, kas elektriskā lauka ietekmē var pārvietoties pa materiāla režģi.

Normālos apstākļos šie lādiņnesēji ir saistīti ar režģi un tāpēc nevar kustēties. Šādos apstākļos materiāls darbojas kā izolators.

Bet, ja elektronu atbrīvo, iespējams, termiskās svārstības vai krītoša fotona sitiens, tas var pārvietoties pa struktūru, radot strāvu. Šādos apstākļos materiāls kļūst par vadītāju

Protams, viens elektrons, kas šādā veidā tiek atbrīvots, rada niecīgu strāvu, kuru ir grūti noteikt. Tātad triks ar lavīnu sabrukšanu ir izveidot spriegumu, kas ātri paātrina brīvo elektronu līdz pietiekami lielam ātrumam, lai atbrīvotu citus vadošos elektronus. Tas rada ķēdes reakciju — lavīnu, kas rada daudz lielāku un vieglāk nosakāmu strāvu.

Pēdējos gados fiziķi ir padarījuši šīs ierīces tik jutīgas, ka viens noteikta viļņa garuma fotons var izraisīt šāda veida lavīnu. Rezultāts ir viena fotona detektors, kas spēj pamanīt lielāko daļu fotonu, kas tam skāra.

Tomēr šim jutīgumam ir sava cena. Ir viegli redzēt, kā lielas enerģijas daļiņa var izlauzties cauri silīcija fotodiodei, izsitot elektronus un izraisot lavīnu. Un kosmosā šāda veida efekts rada tik daudz fona trokšņu, ko sauc par tumšo skaitīšanas ātrumu, ka tas pārņem signālu no fotonu, kurus fiziķi cer izmērīt.

Tāpēc Yang un co uzdevums bija atrast veidus, kā aizsargāt un uzlabot komerciālo viena fotona detektoru veiktspēju, lai tie varētu darboties kosmosā.

Viņu pirmais labojums bija vienkāršs — detektoru ieskauj ar ekranējumu, kas bloķē lielas enerģijas daļiņas. Tas ir delikāts līdzsvarošanas pasākums, jo ekranējums ir smags, un tāpēc to novietošana orbītā ir dārga. Mijiedarbība starp vairogu un lielas enerģijas daļiņām var arī radīt sekundāro daļiņu dušu, kas vēl vairāk pasliktina tumsas ātrumu.

Jans un co galu galā apmetās vairogā, kas sastāv no diviem slāņiem. Ārējais slānis ir 12 milimetru alumīnija loksne, bet iekšējais slānis ir 4 mm loksne no daudz blīvāka un smagāka tantala elementa. Iegūtais vairogs samazina starojuma devu 2,5 reizes.

Šis ekranējums darbojas arī kā siltumizolators, kas ļauj komandai atdzesēt detektorus līdz -15 °C. Tas arī samazina tumšo skaitu, samazinot silīcija detektora termiskās svārstības.

Visbeidzot, komanda izstrādāja elektroniskus draiverus, kas izslēdz detektorus periodos, kad tie ir neaizsargāti pret fona troksni, ko sauc par pēcpulsēšanas pretestību.

Visu šo pieeju ietekme bija ievērojama. Neaizsargātiem viena fotona detektoriem paredzamais tumšās skaitīšanas ātrums pārsniedz 200 skaitīšanas sekundē. Tas ir pārāk augsts kvantu komunikācijai kosmosā.

Tomēr modificētajiem detektoriem tumšo skaitīšanas ātrums ir tikai 0,54 skaitījumi sekundē. Tas ir par divām kārtām labāk.

2016. gadā Jans un citi palaida savus detektorus uz Ķīnas satelīta Micius — kvantu tehnoloģiju demonstratora, kas ir panācis iespaidīgu sasniegumu sēriju. Piemēram, detektori bija galvenā sastāvdaļa, lai teleportētu pirmo objektu no Zemes uz orbītu — vienu fotonu 2017. gadā. Satelīts arī ļāva veikt pirmo kvantu šifrēto videozvanu starp kontinentiem.

Šie eksperimenti ir radījuši priekšu jaunas paaudzes kosmosa kvantu komunikācijai. Mūsu viena fotona detektori paver jaunus iespēju logus kosmosa izpētei un lietojumiem dziļās kosmosa optiskajās komunikācijās, viena fotona lāzera diapazonā, kā arī fizikas pamatprincipu testēšanai kosmosā, saka Yang un co.

Pa to laiku pārējā kvantu fizikas pasaule ir skatījusies ar skaudību. Ķīnai ir nepārprotama vadošā loma kosmosa kvantu komunikācijā, lai gan ar Eiropas pētnieku palīdzību galvenajās jomās.

Eiropa strādā pie orbītas kvantu tehnoloģiju demonstratora, ko sauc par Drošības un kriptogrāfijas misiju jeb SAGA. Šī ir daļa no daudz lielāka plāna izveidot kvantu sakaru tīklu visā kontinentā. Tomēr palaišanas datums nav noteikts.

Turpretim ASV plāni ir apstājušies. Militāro tehnoloģiju pētniecības aģentūra DARPA 2012. gadā uzsāka programmu Quiness, lai pārbaudītu kvantu komunikācijas tehnoloģijas kosmosā. Taču programma — un joma kopumā — ir cietusi no nopietna finansējuma trūkuma.

Tagad svarīgs jautājums ir par to, kā pārējā pasaule, jo īpaši ASV, plāno panākt.

Atsauce: arxiv.org/abs/1910.08161 : Kosmosa, zema trokšņa, viena fotona noteikšana satelītu kvantu sakariem

paslēpties