- Der in China entwickelte Einzelphotonendetektor verfügt über 100 Kanäle und fördert die Quanten-Netzwerktechnologie.
- Die Kommunikationsgenauigkeit des Detektors liegt über 90 %, was seine Wirksamkeit zeigt.
- Forscher haben neue Materialien eingesetzt, um das Problem der thermischen Belastung zu überwinden und die Leistung zu steigern.
- Die Testergebnisse zeigen eine Detektionseffizienz von 80 % und eine sehr niedrige Falsch-Positiv-Rate.
Das Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT) in China hat einen Einzelphotonendetektor mit 100 Kanälen entwickelt, der den Weg für die Entwicklung eines breiten Quanten-Netzwerks in China ebnet. Ein mit diesem Detektor getestetes Prototyp-Netzwerk zeigte eine Kommunikationsgenauigkeit von über 90 %. Mit dem Fortschritt in der Quantenberechnung und Sensortechnologie wird die Nachfrage nach Quanteninformationsnetzwerken in Zukunft zunehmen. Obwohl derzeit verschiedene Netzwerkansätze getestet werden, haben Lösungen, die bestehenden Glasfasernetzwerken ähneln, aufgrund ihrer einfachen Umsetzbarkeit ein höheres Potenzial. Einzelphotonendetektoren (SPDs) sind entscheidende Komponenten solcher Netzwerke, da sie in der Lage sind, Photonen oder einzelne Lichtpartikel zu messen, die zur Speicherung von Quanteninformationen verwendet werden.
SPDs können helfen, Glasfaser- oder Weltraumverbindungen für die Quanten-Datenübertragung bereitzustellen und unterstützen auch die Quantenverschränkung oder sofortige Übertragung, indem sie Quanteninformationen auf Photonen übertragen.
Herausforderungen und Anforderungen an SPDs
Die Herausforderung bei der Verwendung von SPDs besteht darin, dass zur Entwicklung und Skalierung der Quanten-Technologie leistungsfähigere SPDs erforderlich sind. Derzeit gibt es hauptsächlich zwei Arten von SPDs, die in der Quantenforschung verwendet werden. Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) sind hochentwickelte optoelektronische Geräte mit extrem hoher Detektionsgenauigkeit, benötigen jedoch extrem niedrige Temperaturen für den Betrieb. Auf der anderen Seite können Einzelphotonen-Avalanche-Dioden (SPADs) bei Raumtemperatur arbeiten, haben jedoch eine geringere Genauigkeit, weshalb SNSPDs bevorzugt werden. Allerdings bringt die Anforderung an extrem niedrige Temperaturen auch andere Herausforderungen mit sich.
Während des Lesevorgangs müssen SNSPDs mit Geräten verbunden werden, die bei Raumtemperatur gehalten werden. Dies wird normalerweise durch relativ dicke Koaxialkabel aus wärmeleitenden Metallen erreicht, die Wärme von der Raumtemperatur in die Niedertemperaturkammer des SNSPDs übertragen, was als thermische Belastung bezeichnet wird. Mit der Zunahme der Anzahl der Detektionskanäle im SNSPD steigt auch die Anzahl der benötigten Lesekabel, was die thermische Belastung erhöht.
Anwendung und Wirkung neuer Materialien
Um dieses Problem zu überwinden, haben die Forscher von SIMIT das SNSPD umfassend neu gestaltet und die Koaxialkabel durch ein spezielles flexibles Material ersetzt, das als hochdichte Multikern-Mikrobandleitung bekannt ist. Diese Mikrobandleitungen sind nicht nur ultradünn, sondern verfügen auch über gute thermische Isoliereigenschaften, sodass die Wärme, die sie an die Niedertemperaturkammer zurückführen, sehr begrenzt ist. Laut dem SIMIT-Team beträgt die Wärme, die in das System gelangt, nur ein einundzwanzigstel der herkömmlichen Kabel. Dies ermöglicht es ihnen, mehr unabhängige Kanäle hinzuzufügen, ohne das Volumen des SNSPDs erheblich zu erhöhen.
Um ihr Design zu testen, führten die Forscher einen sieben Tage dauernden kontinuierlichen Betrieb durch und stellten fest, dass die Temperatur der Niedertemperaturkammer unter 2,1 K blieb, nahe dem absoluten Nullpunkt von 0 K (-273,15 Grad Celsius). Während der Tests erreichte die Detektionseffizienz der Kanäle 80 %, während die berichtete Falsch-Positiv-Rate extrem niedrig war, wie die Forscher in einer Publikation feststellten.
Tests des Quantenverschränkungsverteilungsnetzwerks
Um einen realistischeren Vergleich anzustellen, errichtete das Forschungsteam ein Quantenverschränkungsverteilungsnetzwerk mit fünf Nutzern und richtete 10 bidirektionale Quantenverbindungen ein. Jeder Nutzer empfing Photonen über die neu entwickelten SPD-Kanäle und stellte fest, dass die Kommunikationsgenauigkeit, also die Erhaltung der Quanteninformationen, über 90 % lag. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der Zeitschrift „Laser & Photonics Reviews“ veröffentlicht.
Posten Spezifikation Anzahl der Kanäle 100 Detektionseffizienz 80% Betriebstemperatur 2.1K
Wie der neue Detektor die Entwicklung der Quanten-Technologie beeinflusst
Einzelphotonendetektoren spielen eine wichtige Rolle in der Quanten-Technologie, insbesondere bei der Quanten-Datenübertragung und Quantenverschränkung. Mit der steigenden Nachfrage nach Quanten-Netzwerken wird die Entwicklung leistungsfähiger Detektoren entscheidend. Die Forschung von SIMIT zeigt, dass durch innovative Designs und Materialanwendungen die thermischen Belastungsprobleme traditioneller Detektoren effektiv gelöst werden können, was die Effizienz der Quanteninformationsübertragung verbessert. Dies trägt nicht nur zur Förderung der Entwicklung des Quanteninternets bei, sondern könnte auch die kommerzielle Anwendung verwandter Technologien vorantreiben, was weitreichende Auswirkungen auf die zukünftige technologische Entwicklung hat.