Çinli bilim insanları, geniş bantlı kuantum ağlarının önünü açmayı vaat eden bir atılımla 100 kanallı bir tek foton dedektörü geliştirdi.
Günümüzün en gelişmiş tek foton dedektörleri, fotonik kuantum teknolojilerinin temelini oluşturan kritik bileşenler. Ancak bu dedektörler, foton sinyalleri için en fazla 32 tespit kanalını destekleyebiliyordu.
Şanghay merkezli bir ekip ise yeni geliştirdiği bağlantı şemasıyla bu darboğazı aştı. Sistem, doğru ve kararlı çalışmayı sürdürürken 100'den fazla tespit kanalını destekliyor.
Araştırmacılar makalelerinde şunları yazdı: "Bu çalışma, büyük ölçekli kuantum fotonik uygulamaları için sağlam ve ölçeklenebilir bir altyapı kuruyor."
Çalışma, Çin Bilimler Akademisi'ne bağlı Şanghay Mikrosistem ve Bilgi Teknolojisi Enstitüsü (SIMIT) araştırmacıları tarafından gerçekleştirildi. Atılım, Eylül ayı sonunda hakemli dergi Laser & Photonics Reviews'da yayımlandı.
Fotonik kuantum teknolojilerindeki gelişmeler, laboratuvar gösterimlerinden kuantum bilişim, iletişim ve metroloji gibi alanlardaki pratik uygulamalara doğru hızla ilerliyor. Bu sistemlerin ölçeklenmesi ise büyük ölçekli ve paralel tek foton tespit kapasitesini acilen gerektiriyor.
Süper iletken nanotel tek foton dedektörleri (SNSPD'ler), süper iletken malzemelerin aşırı hassasiyetini kullanarak tek tek fotonları algılayan üst düzey optoelektronik cihazlar. Makaleye göre bu cihazlar, yüzde 100'e yaklaşan tespit verimliliğiyle mevcut en gelişmiş teknolojiyi temsil ediyor.
Yüksek tespit verimliliği, hızlı yanıt süresi ve yüksek zaman çözünürlüğü gibi avantajları sayesinde bu cihazlar; fotonik kuantum teknolojilerinde, ışık algılama ve mesafe ölçümünde (lidar) ve tek foton görüntülemede çekirdek bileşen olarak yaygın biçimde kullanılıyor.
Ancak bu sistemleri büyütmek uzun süredir ciddi bir teknik sorun olmayı sürdürüyor.
Sıcaklık ise en büyük zorluk. Bu dedektörler, ultra ince süper iletken nanotel filmini mutlak sıfıra yakın kriyojenik bir ortama kadar soğutmaya dayanıyor. Algılanan sinyalleri dışarı iletmek için ise bir kablo, cihazı oda sıcaklığındaki ortama bağlıyor.
Geleneksel olarak koaksiyel kablolar kullanılıyor. Bu kablolar hem kalın hem de metal yapıları nedeniyle ısıyı çok iyi iletiyor. Oda sıcaklığındaki uçtan gelen ısı, kablolar boyunca sürekli olarak kriyojenik odaya iniyor. Bu olgu termal yük olarak biliniyor.
Tespit kanalları, yani fotonik sinyalleri alan, işleyen ve dışarı veren bağımsız ve ayrılmış bilgi yolları, onlarca hatta yüzlerce çıktığında devasa kablo demeti kriyojenik ortama ağır bir termal yük bindiriyor.
Bu durum sistemin boyutunu ve soğutma gücü tüketimini ciddi biçimde artırıyor. Daha önce standart kurulumlar yalnızca yaklaşık 32 kanalı destekleyebiliyordu.
Ekip bu sorunu aşmak için sistemi baştan sona yeniden tasarladı. Ultra ince, özel esnek malzemelerden oluşan ve "yüksek yoğunluklu çok çekirdekli mikroşerit hatları" adı verilen yapılar geliştirdi.
Yeni malzeme ve yapı, ısıyı çok iyi yalıtıyor. Ekibe göre sisteme sızan ısı, geleneksel kalın kabloların ürettiği ısının yirmi birde biri kadar.
Araştırmacılar ayrıca bir dizi mimari yenilikle bu büyük ölçekli paralel tasarımda kararlılık ve küçültme sağladı.
Normal soğutma gücünde sistem, uzun vadeli kararlılığı koruyarak 100'den fazla bağımsız tespit kanalını rahatlıkla destekliyor.
Yedi gün boyunca süren kesintisiz 24 saatlik bir testte kriyojenik platformun sıcaklığı 2,1 kelvin'in altında sabit kaldı. Bu, mutlak sıfır (0 K, yani -273,15 santigrat derece) fiziksel sınırına olağanüstü yakın bir sıcaklık.
Test sonuçları ayrıca tüm kanalların yüzde 80'in üzerinde sistem tespit verimliliğine ulaştığını ve sinyal yanlış alarm oranlarının inanılmaz derecede düşük olduğunu gösterdi.
Platformun gerçek dünya senaryolarındaki yeteneğini kanıtlamak için ekip, beş kullanıcılı ve tam bağlantılı bir kuantum dolanıklık dağıtım ağı kurdu.
Kurulum, beş kullanıcı arasında 10 çift yönlü kuantum bağlantısı oluşturdu. Her kullanıcı, yeni geliştirilen kanallar aracılığıyla dolanık fotonlar aldı.
Test sonuçları, iletişim doğruluğunun (kuantum kanalın bilgiyi ne kadar iyi koruduğunun ölçüsü) 10 bağlantının tamamında yüzde 90'ın üzerinde olduğunu ortaya koydu.
