Технологію десятикратного продовження терміну служби детектора одиночних фотонів для квантового каналу зв’язку “земля-орбіта «вдалося створити міжнародній групі вчених за участю ніту»місіс”. Нагрівання при певних умовах регенерує дефекти кремнієвої основи детектора, отримані в результаті опромінення апарату жорсткою космічною радіацією. Він знижує рівень “шумів”, що виводять систему з ладу і продовжує життя пристрою. Результати роботи опубліковані в міжнародному науковому журналі epj quantum technology.
Обмін секретними ключами між користувачами мережі зв’язку-це спосіб безпечно – без підслуховування і витоку інформації-обмінюватися повідомленнями. Якщо при цьому ми використовуємо криптографічні протоколи, – ми майже невразливі. У звичайних криптосистемах використовуються алгоритми, що забезпечують безпеку даних завдяки обчислювальної складності. Однак квантовий комп’ютер, в принципі, здатний зламати і таке шифрування за рахунок так званого алгоритму факторизації шора.
Рішення є-протоколи квантового розподілу ключів (крк). Вони використовують загальнодоступні квантові канали для тотально захищеної передачі ключів шляхом обміну квантовими бітами. Ця абсолютна безпека досягається за допомогою теореми про заборону клонування: будь-яка спроба вимірювання квантового біта перехоплювачем (підслуховуючим об’єктом) змінює сам стан цього біта. Так, за рахунок зміни чисто фізичних показників нашого повідомлення, ми і виявляємо присутність перехоплювача в каналі зв’язку.
Квантовий розподіл ключів між двома спілкуються зазвичай відбувається з використанням фотонів, які проходять через оптичні волокна або у вільному атмосферному просторі. Оптоволокно обмежене простором, ми не можемо протягнути його через океани, на відміну від орбітальних супутників, які здатні покрити всю поверхню планети. При мінімальних втратах якості передачі інформації при цьому. Якщо ж розмістити детектор таких фотонів на супутнику (а не на землі), то ми ще й полегшимо його наведення і спростимо необхідні обчислення.
Отже, половина квантової системи знаходиться на супутнику на відстані близько 500 км, друга – на землі. Двічі на день телескопи можна направити один на одного і влаштувати сеанс передачі квантового ключа (випадкової послідовності нулів і одиниць) протягом 4 хвилин.
Приймачем в системі є детектор одиночних фотонів. В його основі-кремнієві лавинні фотодіоди. Реєстрація одиночних фотонів на супутнику – це ключовий момент системи крк. Однак у детекторів є істотний, критично важливий мінус – вони дуже чутливі до сонячної радіації і пошкоджуються їй. В результаті утворюється підвищений енергетичний “шум«, який може спотворювати роботу системи, в результаті зводячи на» ні” саму реєстрацію квантового ключа. Однак, рішення проблеми знайдено російськими і канадськими вченими і в даному випадку.
“ми показали, що термічний відпал кремнієвих пластин ефективний при підтримці паразитного” шуму «на рівні, відповідному для квантового розподілу ключів протягом усього періоду роботи супутника, – розповів співавтор дослідження, професор ніту» місіс ” вадим макаров. У роботі ми вивчили дві стратегії-відпал через фіксовані відрізки часу, і відпал тільки тоді, коли тепловий «шум» перевищує певну межу. Виявлено, що обидві стратегії демонструють прийнятний рівень перешкод в кінці терміну служби з невеликою перевагою відпалу при певних умовах”.
Виявилося, що дефекти пластини, створені жорсткою орбітальною радіацією, можна лагодити, нагріваючи їх на короткий час-реалізуючи відпал. Робиться це за допомогою так званого холодильника пельтьє. Зазвичай в пристрої детектора він працює, створюючи температуру -80 градусів цельсія. Якщо включити його в зворотний режим і нагріти пластини детектора до + 80 градусів, дефекти самі затягуються.
«ми не знаємо точно, що там відбувається всередині, але результати дослідів показали, що під час нагрівання – відпалу – дефекти частково «заліковуються». Таким чином, кількість паразитних шумів в детекторі зменшується до прийнятного рівня”, – пояснює вадим макаров.
Завдання-щоб супутник пропрацював на орбіті 10 років. За словами вчених, в реальності при існуючій радіації виходить всього близько року. А якщо його періодично, при необхідності, відпалювати – можна продовжити термін служби пристрою до 10 років. Важливо, що робиться це стаціонарно – на супутник віддалено подається команда, і електроніка перемикає вбудований холодильник в зворотний режим, ремонтуючи накопичилися в детекторі дефекти.
Розробники відзначають, що робити це необхідно регулярно:
«ми стежимо за рівнем шуму і виробляємо відпал, коли детектори стали занадто «шумними».
Лабораторні досліди в рамках дослідження науковий колектив проводив на прискорювачі частинок, який імітує фотонний потік і створює необхідний рівень «шуму». Прискорювач генерував потік протонів, який в космосі набирається за 10 років. У разі дослідів це сталося за 2 хвилини.
Перший тестовий запуск супутника з детектором одиночних фотонів, який зараз створюється в канаді, запланований на 2023 рік.
