Der Peacoq -Detektor der NASA könnte verändern, wie Quantencomputer große Datenmengen austauschen

NASADer Peocoq-Quantendetektor erreicht weltweit führenden Meilenstein

Ein neuer JPL- und Caltech-entwickelter Detektor könnte sich verändern, wie Quantencomputer Tausende von Meilen voneinander entfernt sind,.

Quantencomputer versprechen, millionenfach schneller zu arbeiten als herkömmliche Computer. Um jedoch über große Entfernungen zu kommunizieren, benötigen Quantencomputer ein dediziertes Quantenkommunikationsnetzwerk.

Um ein solches Netzwerk zu bilden, wurde ein Gerät von Wissenschaftlern des Jet Propulsion Laboratory und Caltech der NASA entwickelt, das eine große Anzahl von einzelnen Photonen - Quantenpartikel des Lichts - mit unglaublicher Präzision zählen kann. Wie bei der Messung einzelner Wassertröpfchen während des Sprühens von einem Feuerschein ist das leistungsverstärkte Array zum Zählen optischer Quantendetektor (PeaocQ) in der Lage, die genaue Zeit jeweils zu messenPhotontrifft es innerhalb von 100 Billionen einer Sekunde mit einer Rate von 1,5 Milliarden Photonen pro Sekunde. Kein anderer Detektor hat diese Rate erreicht.

"Die Übertragung von Quanteninformationen über lange Entfernungen war bisher sehr begrenzt"Jplund der Hauptautor einer Studie, die diese Ergebnisse beschreibt. "Eine neue Detektorentechnologie wie der Peocoq, der einzelne Photonen mit einer Präzision eines Bruchteils einer Nanosekunde messen kann, ermöglicht das Senden von Quanteninformationen mit höheren Raten weiter."

Spezielles Netzwerk erforderlich

Konventionelle Computer übertragen Daten über Modems und Telekommunikationsnetzwerke, indem sie Kopien der Informationen als eine Reihe von 1s und 0s erstellen, auch Bits genannt. Die Bits werden dann durch Kabel, über optische Fasern und durch Platz über Lichtblitze oder Impulse von Funkwellen übertragen. Bei Empfang werden die Bits wieder zusammengestellt, um die ursprünglich übertragenen Daten neu zu erstellen.

Quantencomputer kommunizieren unterschiedlich. Sie codieren Informationen als Quantenbits - oder Qubits - in grundlegenden Partikeln wie Elektronen und Photonen, die nicht kopiert und erneut übertragen werden können, ohne zerstört zu werden. Hinzu kommt die Komplexität, die durch optischen Fasern über codierten Photonen übertragenen Quanteninformationen nach nur ein paar Dutzend Meilen, was die Größe eines zukünftigen Netzwerks stark einschränkt.

Damit Quantencomputer über diese Einschränkungen hinaus kommunizieren können, könnte ein dedizierter optischer Quantennetzwerk für Freiraum einschließenan Bord von Satelliten, die die Erde umkreisen. Diese Knoten würden Daten weiterleiten, indem sie Paare von verwickelten Photonen generieren, die auf zwei Quantencomputer -Terminals oder sogar Tausende von Meilen voneinander auf dem Boden gesendet würden.

Paare von verwickelten Photonen sind so eng miteinander verbunden, dass die Messung sofort die Ergebnisse der Messung des anderen beeinflusst, selbst wenn sie durch einen großen Abstand getrennt sind. Damit diese verwickelten Photonen durch das Terminal eines Quantencomputers am Boden empfangen werden sollen, wird ein hochempfindlicher Detektor wie Peacoq benötigt, um genau die Zeit zu messen, die jedes Photon empfängt und die von ihnen enthaltenden Daten liefern.

Supraleitendes Gefieder

Der Detektor selbst ist winzig. Mit nur 13 Mikrometern besteht es aus 32 Niob -Nitrid -supraleitenden Nanodrähten auf einem Siliziumchip mit Steckverbindern, die wie das Gefieder des Namensvetters des Detektors lüften. Jeder Nanodraht ist 10.000 -mal dünner als ein menschliches Haar.

Finanziert vom SCAN -Programm (Space Communications and Navigation) der NASA im Rahmen des Space Operations Mission Directorate der Agentur, der vom Microdevices -Labor von JPL erstellt wurde, muss der PeocQ -Detektor auf einer kryogenen Temperatur nur ein Grad über einem Grad gehalten werdenAbsolute Null, oder minus 458 GradFahrenheit(Minus 272 GradCelsius). Dadurch hält die Nanodrähte in einem supraleitenden Zustand, der erforderlich ist, damit sie in der Lage sind, absorbierte Photonen in elektrische Impulse verwandeln zu können, die die Quantendaten liefern.

Obwohl der Detektor für einzelne Photonen empfindlich genug sein muss, soll er auch von vielen Photonen gleichzeitig getroffen werden. Wenn ein Nanodraht im Detektor von einem Photon getroffen wird, kann es momentan nicht in der Lage sein, ein anderes Photon zu erkennen - eine Periode namens „tote Zeit“ -, aber jeder supraleitende Nanodrire ist so ausgelegt, dass er so wenig Tote wie möglich hat. Darüber hinaus ist Peocoq mit 32 Nanodrähten ausgestattet, damit andere die Lücke aufnehmen können, während einer „tot“ ist.

"Schließlich wird Peacoq in Laborversuche verwendet, um die Quantenkommunikation mit höheren Raten oder über größere Entfernungen zu demonstrieren", sagte Craiciu. "Langfristig könnte es eine Antwort auf die Frage geben, wie wir Quantendaten auf der ganzen Welt übertragen."

Deep Space Test

Teil einer breiteren NASA -Anstrengung, um zu aktivierenZwischen Raum und Boden basiert Peocoq auf derDetektorEntwickelt für die Deep Space Optical Communications (DSOC) -Technologiedemanierung der NASA. DSOC wird mit starten mitSpäter in diesem Jahr, um zum ersten Mal zu demonstrieren, wie die optische Kommunikation zwischen Erde und tiefem Raum in Zukunft funktionieren könnte.

Während DSOC keine Quanteninformationen kommuniziert, erfordert sein Bodenterminal am Palomar Observatorium von Caltech in Südkalifornien die gleiche extreme Empfindlichkeit, um einzelne Photonen zu zählen, die über Laser aus dem DSOC -Transceiver ankommen, wenn er durch den Tiefenraum fährt.

"Es ist alles irgendwie dieselbe Technologie mit einer neuen Kategorie von Detektor", sagte Matt Shaw, der die supraleitende Detektorarbeit von JPL leitet. "Egal, ob dieses Photon mit Quanteninformationen kodiert ist oder ob wir einzelne Photonen aus einer Laserquelle im Deep -Raum erkennen möchten, wir zählen immer noch einzelne Photonen."

Reference: “High-speed detection of 1550 nm single photons with superconducting nanowire detectors” by I. Craiciu, B. Korzh, AD Beyer, A. Mueller, JP Allmaras, L. Narvaez, M. Spiropulu, B. Bumble, T. Lehner, EE Wollman and MD Shaw, 26 January 2023,Optisch.
Zwei: 10.1364/Optics.478960

Der, eine Aufteilung vonIn Pasadena, Kalifornien, verwaltet DSOC für das Programm für Technologie -Demonstrationsmissionen in der Direktion und Scan der NASA der Weltraumtechnologie -Mission.

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