LAND
Large Area Nano-wire Detector for Quantum and Optical Communication Applications
W TRAKCIE REALIZACJIProjekt LAND zakłada zaprojektowanie, wytworzenie i przetestowanie detektora pojedynczych fotonów z nadprzewodzącego nanodrutu o dużej powierzchni (100 × 100 µm). Rozwiązanie to jest przeznaczone do zastosowań w kwantowej dystrybucji klucza (QKD) oraz w optycznej komunikacji na duże odległości, gdzie kluczowe znaczenie ma bezpieczny i niezawodny przesył danych.
Potrzeba
Nowoczesne systemy komunikacji satelitarnej DSOC oraz QKD wymagają połączeń optycznych, które powinny być jednocześnie niezwykle wydajne, niezawodne i bezpieczne. Zapotrzebowanie na takie technologie zgłasza przede wszystkim telekomunikacja i sektor kosmiczny, ale to dopiero początek. Potencjalne zastosowania komunikacji optycznej – rozumianej jako bezpieczny transfer danych – są w praktyce niemal nieograniczone.
Cel projektu
Celem projektu jest zaprojektowanie i wytworzenie nadprzewodzącego detektora pojedynczych fotonów z nanodrotu (SNSPD) dla naziemnych systemów komunikacyjnych, wspierających rozwój demonstratorów satelitów DSOC (Distributed Satellite Operations Center) i QKD (Quantum Key Distribution). Co więcej, będzie to czujnik wielopikselowy wraz ze specjalistyczną elektroniką i mechaniką. Projekt ma przełamać bariery, które do tej pory ograniczały szerokie wykorzystanie detektorów SNSPD w zastosowaniach kwantowych i telekomunikacyjnych.
Ciekawostka: jednym z ambitnych celów projektu było umożliwienie niezawodnych połączeń na linii Ziemia-Gateway. Lunar Orbital Platform-Gateway (LOP-G) miała być stacją kosmiczną na orbicie Księżyca pełniącą funkcję platformy przesiadkowej i badawczej dla misji księżycowych oraz dalszych lotów w głąb kosmosu, w tym na Marsa. Projekt Gateway został jednak ostatecznie anulowany.
W dużym skrócie – kluczowe parametry detektora
Projektowany detektor:
• będzie oparty na technologii nadprzewodzących nanodrutów (SNSPD), uznawanej za najlepszą obecnie dostępną technologię detekcji pojedynczych fotonów w zastosowaniach komunikacji optycznej,
• będzie miał dużą powierzchnię aktywną (100 × 100 µm),
• zostanie podzielony na cztery niezależne kwadranty (4QD), które mogą działać samodzielnie lub współpracować ze sobą.
Detektory SNSPD pracujące w zakresie bliskiej podczerwieni łączą wysoką sprawność kwantową, ekstremalnie niski poziom fałszywych zliczeń (dark count) oraz bardzo niski jitter sygnału wyjściowego, przekładający się na wysoką szybkość i jakość transmisji. Bliska podczerwień jest szczególnie atrakcyjna dla komunikacji na duże odległości ze względu na dostępność wydajnych laserów dużej mocy oraz korzystne warunki transmisji w atmosferze. Duży aktywny obszar sensora ułatwia użytkowanie i zwiększa efektywność długodystansowych połączeń laserowych. A jego modułowa architektura umożliwia przyszłe ulepszenia sensora, elektroniki i środowiska pracy. Taki detektor spełnia wymagania najbardziej wymagających łączy komunikacyjnych DSOC i QKD.
Konsorcjanci:
Creotech Quantum
Finansowanie:
Wartość całego projektu:
999 627 euro
Kwota dofinansowania projektu:
399 903 euro
Wyzwania
Projekt mierzy się z kilkoma kluczowymi wyzwaniami:
• ograniczonym rozmiarem detektora i jego wpływem na efektywne sprzężenie z przestrzenią wolną,
• przepustowością czujników, determinującą maksymalną prędkość transmisji danych,
• koniecznością osiągnięcia ekstremalnie niskiego jittera,
• bardzo krótkim czasem martwym czujników, czyli zdolnością do niemal natychmiastowej gotowości do kolejnej detekcji po zarejestrowaniu fotonu,
• precyzyjnym śledzeniem satelity i stabilnym utrzymaniem wiązki,
• integracją kompaktowego teleskopu z zamkniętym kriostatem SNSPD.
Efekt końcowy
Dzięki opracowaniu kompletnego systemu – obejmującego sensor, elektronikę i mechanikę – możliwe będzie:
• zliczanie pojedynczych fotonów z przepustowością do 1 Gbps w sprzężeniu z przestrzenią wolną,
• bezproblemowy montaż na teleskopach astronomicznych bez zakłócania ich pracy,
• kodowanie sygnału w modulację PPM,
• automatyczne śledzenie położenia wiązki,
• szybkie wdrożenie i intuicyjna obsługa systemu.