Kaip Kinija sukūrė vieno fotono detektorių, veikiantį erdvėje

Nakties dangaus virš Kinijos vaizdas. Unsplash / Gregory Hayesas

Vienas iš naujų pavienių fotonų naudojimo būdų yra supakuoti juos su kvantine informacija ir išsiųsti juos į kitą vietą. Ši technika, žinoma kaip kvantinė komunikacija, išnaudoja fizikos dėsnius, siekdama užtikrinti, kad informacijos negalėtų perskaityti joks pasiklausytojas.

Vienas iš iššūkių yra rasti būdų, kaip išsiųsti šią kvantinę informaciją visame pasaulyje. Tai sunku, nes informacija yra trapi – bet kokia fotonų ir jų aplinkos sąveika ją sunaikina. Fotonai negali nukeliauti daugiau nei šimtą kilometrų per atmosferą arba per optinius pluoštus, nesunaikindami jų nešamos kvantinės informacijos.

Taigi kinų fizikai sugalvojo sprendimą: nukreipti fotonus į orbitoje skriejantį palydovą, kuris perduoda juos į kitą Žemės paviršiaus vietą. Tokiu būdu galima sumažinti nemalonų praėjimą per atmosferą. Jei fotonai perduodami iš antžeminių stočių dideliame aukštyje, jų kelionė dažniausiai vyksta per tuščios erdvės vakuumą.

Tačiau yra problema. Kvantiniam ryšiui reikalingi detektoriai, galintys pastebėti ir išmatuoti pavienius fotonus. Pastaraisiais metais fizikai sukūrė ir gamino vis jautresnius prietaisus, galinčius tai padaryti.

Tačiau dėl šio jautrumo jie tampa pažeidžiami bet kokio fono triukšmo, kuris gali užgožti pačių fotonų signalą. Erdvė užpildyta nepageidaujamu triukšmu, atsirandančiu dėl didelės energijos dalelių, ekstremalių temperatūrų ir pašalinės šviesos iš šaltinių, tokių kaip saulė.

Sukurti vieno fotono detektorius, galinčius veikti šioje aplinkoje, yra didelis iššūkis. Taigi nenuostabu, kad fizikai jau kurį laiką laužo galvą dėl šio klausimo.

Šiandien Meng Yang ir kolegos iš Kinijos mokslo ir technologijų universiteto Hefėjuje teigia išsprendę problemą. Jie netgi išbandė savo mašiną per pastaruosius dvejus metus orbitoje skriejančiame palydove ir sako, kad ji veikia gerai.

Komandos detektorius naudoja reiškinį, žinomą kaip lavinų gedimas, kuris įvyksta puslaidininkių lustuose ypatingomis aplinkybėmis. Puslaidininkis, pavyzdžiui, silicis, praleidžia elektros srovę laisvųjų elektronų ir skylių pavidalu, kurios, veikiamos elektrinio lauko, gali judėti per medžiagos gardelę.

Įprastomis aplinkybėmis šie krūvininkai yra prijungti prie gardelės ir todėl negali judėti. Tokiomis aplinkybėmis medžiaga veikia kaip izoliatorius.

Bet jei elektronas išlaisvinamas, galbūt dėl ​​šiluminių svyravimų ar kritusio fotono smūgio, jis gali judėti per struktūrą ir sukurti srovę. Tokiomis aplinkybėmis medžiaga tampa laidininku

Žinoma, tokiu būdu išlaisvintas vienas elektronas sukuria mažytę srovę, kurią sunku aptikti. Taigi griūties griūties triukas yra nustatyti įtampą, kuri greitai pagreitina laisvąjį elektroną iki pakankamai didelio greičio, kad kiti laidžiai elektronai būtų išlaisvinti. Tai sukuria grandininę reakciją – laviną – dėl kurios susidaro daug didesnė ir lengviau aptinkama srovė.

Pastaraisiais metais fizikai padarė šiuos įrenginius tokius jautrius, kad vienas tam tikro bangos ilgio fotonas gali sukelti tokią laviną. Rezultatas yra vieno fotono detektorius, galintis pastebėti daugumą jį pataikiusių fotonų.

Tačiau šis jautrumas turi savo kainą. Nesunku suprasti, kaip didelės energijos dalelė gali prasiskverbti pro silicio fotodiodą, išmušdama elektronus ir sukeldama laviną. O erdvėje toks efektas sukuria tiek daug foninio triukšmo, vadinamo tamsiuoju skaičiavimo greičiu, kad užgožia signalą iš fotonų, kuriuos fizikai tikisi išmatuoti.

Taigi Yang ir bendradarbių užduotis buvo rasti būdų, kaip apsaugoti ir pagerinti komercinių vieno fotono detektorių veikimą, kad jie galėtų veikti erdvėje.

Pirmasis jų pataisymas buvo nesudėtingas – detektorių apjuosti ekranu, kuris blokuoja didelės energijos daleles. Tai yra subtilus balansavimo veiksmas, nes ekranavimas yra sunkus, todėl jį pastatyti į orbitą brangu. Sąveika tarp ekranavimo ir didelės energijos dalelių taip pat gali sukelti antrinių dalelių lietus, dėl kurių tamsos greitis dar labiau pablogėja.

Yang ir co galiausiai apsisprendė už skydą, sudarytą iš dviejų sluoksnių. Išorinis sluoksnis yra 12 milimetrų aliuminio lakštas, o vidinis sluoksnis yra 4 mm tankesnio ir sunkesnio elemento tantalo lakštas. Gautas skydas sumažina radiacijos dozę 2,5 karto.

Šis ekranavimas taip pat veikia kaip šilumos izoliatorius, leidžiantis komandai atvėsinti detektorius iki -15 °C. Tai taip pat sumažina tamsumo skaičių, nes sumažina silicio detektoriaus šiluminius svyravimus.

Galiausiai komanda sukūrė elektronines tvarkykles, kurios išjungia detektorius tais laikotarpiais, kai jie yra pažeidžiami foninio triukšmo, o tai vadinama pasipriešinimu po impulsų.

Visų šių metodų poveikis buvo reikšmingas. Neapsaugotų vieno fotono detektorių numatomas tamsos skaičiavimo greitis yra didesnis nei 200 skaitiklių per sekundę. Tai per daug kvantiniam ryšiui erdvėje.

Tačiau modifikuotų detektorių tamsos skaičiavimo greitis yra tik 0,54 skaitikliai per sekundę. Tai dviem eilėmis geriau.

2016 m. Yangas ir bendradarbiai paleido savo detektorius Kinijos palydove Micius – kvantinės technologijos demonstravimo priemonę, kuri padarė įspūdingą proveržio seriją. Pavyzdžiui, detektoriai buvo pagrindinis komponentas teleportuojant pirmąjį objektą iš Žemės į orbitą – vieną fotoną 2017 m. Palydovas taip pat įgalino pirmąjį kvantinį šifruotą vaizdo skambutį tarp žemynų.

Šie eksperimentai sukūrė naujos kartos kosmoso kvantinio ryšio sceną. Mūsų vieno fotono detektoriai atveria naujus kosmoso tyrimų ir taikymo erdvių optinių ryšių, vieno fotono lazerinio nuotolio nustatymo, taip pat pagrindinių fizikos principų kosmose galimybių langus, sako Yang ir kt.

Tuo tarpu likęs kvantinės fizikos pasaulis žiūrėjo su pavydu. Kinija aiškiai pirmauja kosmoso kvantinės komunikacijos srityje, nors ir padeda Europos mokslininkai pagrindinėse srityse.

Europa kuria orbitoje skriejančią kvantinių technologijų demonstracinę priemonę, vadinamą Saugumo ir kriptografijos misija arba SAGA. Tai yra daug didesnio plano sukurti kvantinio ryšio tinklą visame žemyne ​​dalis. Tačiau paleidimo data nenustatyta.

Priešingai, JAV planai strigo. 2012 m. karinių technologijų tyrimų agentūra DARPA pradėjo programą „Quiness“, skirtą kvantinių ryšių technologijoms kosmose išbandyti. Tačiau programai ir apskritai šiai sričiai labai trūko finansavimo.

Dabar svarbus klausimas – kaip likęs pasaulis, ypač JAV, planuoja pasivyti.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1910.08161 : kosminis, mažai triukšmingas, vieno fotono aptikimas, skirtas palydoviniam kvantiniam ryšiui

paslėpti