Ученые разработали способ удлинить в 10 раз срок службы фотонного детектора

Технологию  десятикратного продления срока службы детектора одиночных фотонов для квантового канала связи «Земля — Орбита» удалось создать международной группе ученых с участием НИТУ «МИСиС». Нагрев при определенных условиях регенерирует дефекты кремниевой основы детектора, полученные в результате облучения аппарата жесткой космической радиацией.  Он снижает уровень «шумов», выводящих систему из строя и продлевает жизнь устройства. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале EPJ Quantum Technology.

Обмен секретными ключами между пользователями сети связи – это способ безопасно – без подслушивания и утечки информации — обмениваться сообщениями.  Если при этом мы используем криптографические протоколы, – мы почти неуязвимы. В обычных криптосистемах используются алгоритмы, обеспечивающие безопасность данных благодаря вычислительной сложности. Однако квантовый компьютер, в принципе, способен взломать и такое шифрование за счет так называемого  алгоритма факторизации Шора.

Решение есть — протоколы квантового распределения ключей (КРК). Они используют общедоступные квантовые каналы для  тотально защищенной передачи ключей путем обмена квантовыми битами. Эта абсолютная безопасность достигается с помощью теоремы о запрете клонирования: любая попытка измерения квантового бита перехватчиком (подслушивающим объектом) меняет само состояние этого бита. Так, за счет изменения чисто физических показателей нашего сообщения, мы и обнаруживаем присутствие перехватчика в канале связи.

Квантовое распределение ключей между двумя общающимися обычно происходит с использованием фотонов, которые проходят через оптические волокна или в свободном атмосферном пространстве. Оптоволокно ограничено пространством, мы не можем протянуть его через океаны, в отличие от орбитальных спутников, которые способны покрыть всю поверхность планеты.  При минимальных потерях качества передачи информации при этом.  Если же разместить детектор таких фотонов на спутнике (а не на Земле), то мы еще и облегчим его наведение и упростим необходимые вычисления.

Итак, половина квантовой системы находится на спутнике на расстоянии около 500 км, вторая – на Земле. Дважды в день телескопы можно направить друг на друга и устроить сеанс передачи квантового ключа (случайной последовательности нолей и единиц)  в течение 4 минут.

Приемником в системе является детектор одиночных фотонов.  В его основе — кремниевые лавинные фотодиоды. Регистрация одиночных фотонов на спутнике – это ключевой момент системы  КРК. Однако у детекторов есть существенный, критически важный минус — они  очень чувствительны  к солнечной радиации и повреждаются ей.  В результате образуется повышенный энергетический «шум», который может искажать работу системы,  в итоге низводя на «нет» саму регистрацию квантового ключа. Однако, решение проблемы найдено российскими и канадскими учеными и в данном случае.

«Мы показали,  что термический отжиг кремниевых пластин эффективен при поддержании паразитного «шума» на уровне, подходящем для квантового распределения ключей в течение всего периода работы спутника, — рассказал соавтор исследования, профессор НИТУ «МИСиС» Вадим Макаров.

В работе мы  изучили  две стратегии — отжиг через фиксированные отрезки  времени, и отжиг только тогда, когда тепловой «шум» превышает определенный предел. Обнаружено, что обе стратегии демонстрируют приемлемый уровень помех в конце срока службы с небольшим преимуществом отжига при определенных условиях». 

Оказалось, что дефекты пластины, созданные жесткой орбитальной радиацией,  можно чинить, нагревая их на короткое время – реализуя отжиг. Делается это при помощи  так называемого холодильника Пельтье. Обычно в устройстве детектора он работает, создавая температуру -80 градусов  Цельсия. Если включить его в обратный режим и нагреть пластины детектора до + 80 градусов, дефекты сами затягиваются.

«Мы не знаем  точно, что там происходит внутри, но результаты опытов показали, что во время нагревания – отжига — дефекты частично «залечиваются». Таким образом, количество паразитных шумов  в детекторе уменьшается до приемлемого уровня», — поясняет Вадим Макаров. 

Задача  – чтобы спутник проработал на орбите 10 лет. По словам ученых, в реальности при существующей радиации получается всего около года. А если его периодически, при необходимости, отжигать – можно продлить срок службы устройства до 10 лет. Важно, что делается это стационарно – на спутник удаленно  подается команда,  и электроника переключает встроенный  холодильник в обратный режим, ремонтируя накопившиеся в детекторе дефекты.

Разработчики отмечают, что делать это необходимо регулярно: «Мы следим за уровнем шума и производим отжиг, когда  детекторы стали слишком «шумными».

Лабораторные опыты в рамках исследования научный коллектив проводил на ускорителе частиц, который имитирует фотонный поток и создает необходимый уровень  «шума». Ускоритель сгенерировал поток протонов, который в космосе набирается за 10 лет. В случае опытов это произошло за 2 минуты.

Первый тестовый запуск спутника с детектором одиночных фотонов, который в настоящий момент создается в Канаде, запланирован на 2023 год.