Hur Kina byggde en enfotondetektor som fungerar i rymden

En bild av natthimlen över Kina. Unsplash / Gregory Hayes

En av de nya användningsområdena för enskilda fotoner är att packa dem med kvantinformation och skicka dem till en annan plats. Denna teknik, känd som kvantkommunikation, utnyttjar fysikens lagar för att säkerställa att informationen inte kan läsas av någon avlyssnare.

En utmaning är att hitta sätt att skicka denna kvantinformation runt om i världen. Det är svårt eftersom informationen är ömtålig - all interaktion mellan fotonerna och deras miljö förstör den. Fotoner kan inte färdas mer än hundra kilometer eller så genom atmosfären eller genom optiska fibrer utan att den kvantinformation de bär förstörs.

Så kinesiska fysiker har kommit på en lösning: stråla fotonerna till en satellit i bana som sänder dem till en annan plats på jordens yta. På så sätt kan den obekväma passagen genom atmosfären minimeras. Om fotoner sänds från markstationer på hög höjd, sker deras resa mestadels genom vakuumet i det tomma utrymmet.

Men det är ett problem. Kvantkommunikation kräver detektorer som kan upptäcka och mäta enstaka fotoner. Under de senaste åren har fysiker designat och byggt allt känsligare apparater som kan göra detta.

Denna känslighet gör dem dock sårbara för alla slags bakgrundsljud, vilket kan överväldiga signalen från själva fotonerna. Och rymden är fylld av oönskat brus i form av högenergipartiklar, extrema temperaturer och främmande ljus från källor som solen.

Att bygga enfotondetektorer som kan fungera i denna miljö är en betydande utmaning. Så det är ingen överraskning att fysiker har kliat sig i huvudet över denna fråga under en tid.

Idag säger Meng Yang och kollegor vid University of Science and Technology i Kina i Hefei att de har löst problemet. De har till och med testat sin maskin under de senaste två åren på en satellit i omloppsbana och säger att den fungerar bra.

Teamets detektor utnyttjar ett fenomen som kallas lavinnedbrott, som inträffar i halvledarchips under speciella omständigheter. En halvledare som kisel leder elektrisk ström i form av fria elektroner och hål som kan röra sig genom materialgittret under påverkan av ett elektriskt fält.

Under normala omständigheter är dessa laddningsbärare bundna till gittret och kan därför inte röra sig. Under dessa omständigheter fungerar materialet som en isolator.

Men om en elektron frigörs, kanske genom termiska fluktuationer eller en kick från en infallande foton, kan den färdas genom strukturen och skapa en ström. Under dessa omständigheter blir materialet en ledare

Naturligtvis skapar en enstaka elektron som frigörs på detta sätt en liten ström som är svår att upptäcka. Så tricket med lavinnedbrytning är att sätta upp en spänning som snabbt accelererar en fri elektron till tillräckligt höga hastigheter för att slå andra ledande elektroner fria. Detta skapar en kedjereaktion - en lavin - som resulterar i en mycket större och lättare detekterbar ström.

Under de senaste åren har fysiker gjort dessa enheter så känsliga att en enda foton med en specifik våglängd kan utlösa denna typ av lavin. Resultatet är en enfotondetektor som kan upptäcka de flesta fotoner som träffar den.

Denna känslighet har dock ett pris. Det är lätt att se hur en högenergipartikel kan slita igenom en kiselfotodiod, sparka ut elektroner och utlösa en lavin. Och i rymden skapar den här typen av effekt så mycket bakgrundsljud – kallat mörkräkningsfrekvens – att det svämmar över signalen från de fotoner som fysiker hoppas kunna mäta.

Så uppgiften för Yang och co var att hitta sätt att skydda och förbättra prestandan hos kommersiella enfotondetektorer så att de kan fungera i rymden.

Deras första fix var enkel - att omge detektorn med skärmning som blockerar högenergipartiklar. Detta är en känslig balansgång eftersom skärmning är tung och därmed dyr att sätta i omloppsbana. Samspelet mellan avskärmningen och högenergipartiklarna kan också skapa regnskurar av sekundära partiklar som gör att mörkerhastigheten räknas ännu värre.

Yang och co nöjde sig så småningom med en sköld bestående av två lager. Det yttre lagret är 12-millimeters ark av aluminium, och det inre lagret är ett 4 mm ark av det mycket tätare och tyngre elementet tantal. Den resulterande skölden minskar stråldosen med en faktor på 2,5.

Denna skärmning fungerar också som en värmeisolator, vilket gör att teamet kan kyla detektorerna till -15 °C. Detta minskar också mörkertalet genom att minimera termiska fluktuationer i kiseldetektorn.

Slutligen utvecklade teamet elektroniska drivrutiner som stänger av detektorerna under perioder då de är känsliga för bakgrundsljud, en teknik som kallas efterpulsmotstånd.

Effekten av alla dessa tillvägagångssätt var betydande. För oskyddade singelfotondetektorer är den förväntade mörkerräkningshastigheten över 200 räkningar per sekund. Detta är för högt för kvantkommunikation i rymden.

De modifierade detektorerna har dock en mörkräkningshastighet på bara 0,54 räkningar per sekund. Det är två storleksordningar bättre.

Under 2016 lanserade Yang och co sina detektorer ombord på den kinesiska Micius-satelliten, en kvantteknologisk demonstrator som har gjort en imponerande serie av genombrott. Till exempel var detektorerna en nyckelkomponent i att teleportera det första objektet från jorden till omloppsbana – en enda foton 2017. Satelliten möjliggjorde också det första kvantkrypterade videosamtalet mellan kontinenter.

Dessa experiment har skapat scenen för en ny generation av rymdbaserad kvantkommunikation. Våra singelfotondetektorer öppnar nya fönster för möjligheter för rymdforskning och tillämpningar inom optisk kommunikation i rymden, singelfotonlaseravstånd, såväl som för att testa de grundläggande principerna för fysik i rymden, säger Yang och co.

Under tiden har resten av kvantfysikvärlden sett på med avundsjuka. Kina har en tydlig ledning inom rymdbaserad kvantkommunikation, om än med hjälp av europeiska forskare inom nyckelområden.

Europa arbetar på en kretsande kvantteknologisk demonstrator som kallas Security and Cryptographic mission, eller SAGA. Detta är en del av en mycket större plan för att skapa ett kvantkommunikationsnätverk över hela kontinenten. Något lanseringsdatum är dock inte satt.

Däremot har USA:s planer avstannat. År 2012 startade den militärteknologiska forskningsbyrån DARPA ett program kallat Quiness för att testa kvantkommunikationsteknik i rymden. Men programmet – och fältet i allmänhet – har lidit av en allvarlig brist på finansiering.

En viktig fråga nu är hur resten av världen, särskilt USA, planerar att komma ikapp.

Ref: arxiv.org/abs/1910.08161 : Rymdburen, lågbrus, enfotodetektion för satellitbaserad kvantkommunikation

Dölj