NASA's Quantum Detector bereikt wereldleidende mijlpaal

Vragen, theorieën, ontdekkingen e,d, op het gebied van wiskunde, natuurkunde en chemie horen hier thuis.
Plaats reactie
Gebruikersavatar
univers
Observer
Berichten: 33354
Lid geworden op: 27 jan 2013, 11:10

NASA's Quantum Detector bereikt wereldleidende mijlpaal

Bericht door univers » 03 mar 2023, 09:07

Afbeelding
Deze close-upfoto toont een buitengewoon gevoelige enkele Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta (PEACOQ) -detector, die bij JPL wordt ontwikkeld om enkele fotonen - kwantumdeeltjes van licht - met een extreem hoge snelheid te detecteren. Credits: NASA/JPL-Caltech

Een nieuwe door JPL en Caltech ontwikkelde detector zou de manier kunnen veranderen waarop kwantumcomputers, duizenden kilometers van elkaar verwijderd, enorme hoeveelheden kwantumgegevens uitwisselen.

Quantumcomputers beloven miljoenen keren sneller te werken dan conventionele computers. Maar om over lange afstanden te kunnen communiceren, hebben kwantumcomputers een speciaal kwantumcommunicatienetwerk nodig.

Om zo'n netwerk te helpen vormen, hebben wetenschappers van NASA's Jet Propulsion Laboratory en Caltech een apparaat ontwikkeld dat enorme aantallen afzonderlijke fotonen - kwantumdeeltjes van licht - met ongelooflijke precisie kan tellen. Net als het meten van individuele waterdruppels terwijl ze door een brandslang worden besproeid, kan de Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta (PEACOQ)-detector de precieze tijd meten waarop elk foton het raakt, binnen 100 biljoenste van een seconde, met een snelheid van 1,5 miljard fotonen per seconde. Geen enkele andere detector heeft die snelheid bereikt.

"Het verzenden van kwantuminformatie over lange afstanden is tot nu toe zeer beperkt geweest", zegt Ioana Craiciu, een lid van het PEACOQ-projectteam, een postdoctoraal onderzoeker bij JPL en de hoofdauteur van een studie die deze resultaten beschrijft . "Een nieuwe detectortechnologie zoals de PEACOQ, die afzonderlijke fotonen kan meten met een precisie van een fractie van een nanoseconde, maakt het mogelijk kwantuminformatie met hogere snelheden verder te verzenden."

Afbeelding
Deze foto toont verschillende PEACOQ-detectoren kort nadat ze op een siliciumwafel waren afgedrukt. De inzetafbeelding toont het detail van een enkele PEACOQ. Elke PEACOQ-detector is iets kleiner dan een dubbeltje Credits: NASA/JPL-Caltech

Toegewijd netwerk vereist

Conventionele computers verzenden gegevens via modems en telecommunicatienetwerken door kopieën van de informatie te maken als een reeks van enen en nullen, ook wel bits genoemd. De bits worden vervolgens verzonden via kabels, langs optische vezels en door de ruimte via lichtflitsen of pulsen van radiogolven. Bij ontvangst worden de bits opnieuw samengevoegd om de oorspronkelijk verzonden gegevens opnieuw te creëren.

Quantumcomputers communiceren anders. Ze coderen informatie als kwantumbits – of qubits – in fundamentele deeltjes, zoals elektronen en fotonen, die niet kunnen worden gekopieerd en opnieuw verzonden zonder te worden vernietigd. Wat de complexiteit nog vergroot, is dat kwantuminformatie die via optische vezels via gecodeerde fotonen wordt verzonden, na slechts enkele tientallen kilometers degradeert, waardoor de omvang van elk toekomstig netwerk aanzienlijk wordt beperkt.

Om kwantumcomputers buiten deze beperkingen te laten communiceren, zou een speciaal optisch kwantumnetwerk in de vrije ruimte ruimte "knooppunten " kunnen bevatten aan boord van satellieten die in een baan om de aarde draaien. Die knooppunten zouden gegevens doorgeven door paren verstrengelde fotonen te genereren die naar twee kwantumcomputerterminals zouden worden gestuurd die honderden of zelfs duizenden kilometers van elkaar op de grond verwijderd zijn.

Paren verstrengelde fotonen zijn zo nauw met elkaar verbonden dat het meten van het ene onmiddellijk de resultaten van het meten van het andere beïnvloedt, zelfs als ze over een grote afstand van elkaar verwijderd zijn. Maar om deze verstrengelde fotonen op de grond te laten ontvangen door de terminal van een kwantumcomputer, is een zeer gevoelige detector zoals PEACOQ nodig om nauwkeurig de tijd te meten waarop elk foton wordt ontvangen en de gegevens die het bevat af te leveren.

Supergeleidend verenkleed

De detector zelf is klein. Met een diameter van slechts 13 micron is hij samengesteld uit 32 niobiumnitride supergeleidende nanodraden op een siliciumchip met connectoren die uitwaaieren als het verenkleed van de naamgenoot van de detector. Elke nanodraad is 10.000 keer dunner dan een mensenhaar.

Gefinancierd door NASA's Space Communications and Navigation (SCaN) -programma binnen het Space Operations Mission Directorate van het bureau en gebouwd door JPL's Microdevices Laboratory , moet de PEACOQ-detector op een cryogene temperatuur worden gehouden, slechts één graad boven het absolute nulpunt, of min 458 graden Fahrenheit (minus 272). graden Celsius). Dit houdt de nanodraden in een supergeleidende toestand, wat nodig is om geabsorbeerde fotonen om te zetten in elektrische pulsen die de kwantumgegevens leveren.

Hoewel de detector gevoelig genoeg moet zijn voor enkele fotonen, is hij ook ontworpen om bestand te zijn tegen een inslag van vele fotonen tegelijk. Wanneer een nanodraad in de detector wordt geraakt door een foton, is deze tijdelijk niet in staat een ander foton te detecteren - een periode die "dode tijd" wordt genoemd - maar elke supergeleidende nanodraad is ontworpen om zo min mogelijk dode tijd te hebben. Bovendien is PEACOQ uitgerust met 32 ​​nanodraden zodat anderen de speling kunnen oppikken terwijl er een "dood" is.

"Op korte termijn zal PEACOQ worden gebruikt in laboratoriumexperimenten om kwantumcommunicatie met hogere snelheden of over grotere afstanden aan te tonen", zei Craiciu. "Op de lange termijn zou het een antwoord kunnen bieden op de vraag hoe we kwantumgegevens de wereld rondsturen."

Deep Space-test

Als onderdeel van een bredere NASA-inspanning om optische communicatie in de vrije ruimte tussen de ruimte en de grond mogelijk te maken, is PEACOQ gebaseerd op de detector die is ontwikkeld voor NASA's Deep Space Optical Communications ( DSOC ) -technologiedemonstratie. DSOC wordt later dit jaar gelanceerd met NASA's Psyche -missie om voor het eerst te demonstreren hoe optische communicatie met hoge bandbreedte tussen de aarde en de verre ruimte in de toekomst zou kunnen werken.

Hoewel DSOC geen kwantuminformatie zal communiceren, vereist zijn grondterminal bij Caltech's Palomar Observatory in Zuid-Californië dezelfde extreme gevoeligheid om enkele fotonen te tellen die via laser aankomen van de DSOC-transceiver terwijl deze door de diepe ruimte reist.

"Het is allemaal dezelfde technologie met een nieuwe categorie detectoren", zegt Matt Shaw, die JPL's supergeleidende detectorwerk leidt. "Of dat foton nu is gecodeerd met kwantuminformatie of dat we enkele fotonen uit een laserbron in de verre ruimte willen detecteren, we tellen nog steeds enkele fotonen."

JPL, een divisie van Caltech in Pasadena, Californië, beheert DSOC voor het Technology Demonstration Missions- programma binnen NASA's Space Technology Mission Directorate en SCaN.

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s ... -milestone
Een mens is net een open boek, je moet het enkel kunnen lezen.

Plaats reactie