Hvernig Kína byggði einn ljóseind ​​skynjara sem virkar í geimnum

Mynd af næturhimninum yfir Kína.

Mynd af næturhimninum yfir Kína.Unsplash / Gregory Hayes



Ein af þeim notum sem koma fram fyrir stakar ljóseindir er að pakka þeim með skammtaupplýsingum og senda þær á annan stað. Þessi tækni, þekkt sem skammtasamskipti, nýtir lögmál eðlisfræðinnar til að tryggja að upplýsingarnar geti ekki lesið af neinum hlerara.

Ein áskorunin er að finna leiðir til að senda þessar skammtaupplýsingar um heiminn. Það er erfitt vegna þess að upplýsingarnar eru viðkvæmar - hvers kyns samspil ljóseindanna og umhverfi þeirra eyðileggur þær. Ljóseindir geta ekki ferðast meira en hundrað kílómetra eða svo í gegnum lofthjúpinn eða í gegnum ljósleiðara án þess að skammtaupplýsingunum sem þær bera sé eytt.





Þannig að kínverskir eðlisfræðingar hafa fundið lausn: Geisla ljóseindunum til gervitungl á braut um braut sem sendir þær á annan stað á yfirborði jarðar. Þannig er hægt að lágmarka óþægilega leið í gegnum andrúmsloftið. Ef ljóseindir eru sendar frá jarðstöðvum í mikilli hæð er ferð þeirra að mestu leyti í gegnum tómarúm tómarúmsins.

En það er vandamál. Skammtasamskipti krefjast skynjara sem geta komið auga á og mælt stakar ljóseindir. Á undanförnum árum hafa eðlisfræðingar hannað og smíðað sífellt viðkvæmari tæki sem geta gert þetta.

Hins vegar gerir þessi næmni þá viðkvæm fyrir hvers kyns bakgrunnshljóði, sem getur gagntekið merki frá ljóseindunum sjálfum. Og rýmið er fyllt af óæskilegum hávaða í formi orkumikilla agna, háhitastigs og utanaðkomandi ljóss frá uppsprettum eins og sólinni.



Það er veruleg áskorun að byggja eins ljóseindaskynjara sem geta starfað í þessu umhverfi. Svo það kemur ekki á óvart að eðlisfræðingar hafi klórað sér í hausnum yfir þessu máli í nokkurn tíma.

Í dag segja Meng Yang og félagar við Vísinda- og tækniháskóla Kína í Hefei að þeir hafi leyst vandann. Þeir hafa meira að segja prófað vélina sína á síðustu tveimur árum á gervitungl á braut um braut og segja að hún virki vel.

Skynjari liðsins nýtir sér fyrirbæri sem kallast snjóflóðabilun, sem á sér stað í hálfleiðaraflísum við sérstakar aðstæður. Hálfleiðari eins og sílikon leiðir rafstraum í formi frjálsra rafeinda og gata sem geta farið í gegnum efnisgrindurnar undir áhrifum rafsviðs.

peter temin hverfandi miðstétt

Undir venjulegum kringumstæðum eru þessir hleðsluberar bundnir við grindurnar og geta því ekki hreyft sig. Við þessar aðstæður virkar efnið sem einangrunarefni.



En ef rafeind er laus, kannski með hitasveiflum eða sparki frá atviksljóseind, getur hún ferðast í gegnum mannvirkið og búið til straum. Við þessar aðstæður verður efnið leiðari

Auðvitað skapar ein rafeind sem losnar á þennan hátt lítinn straum sem erfitt er að greina. Þannig að bragðið við niðurbrot á snjóflóðum er að setja upp spennu sem flýtir lausri rafeind hratt upp í nógu mikinn hraða til að slá aðrar leiðandi rafeindir lausar. Þetta skapar keðjuverkun - snjóflóð - sem leiðir til mun stærri og auðveldara að greina straum.

Undanfarin ár hafa eðlisfræðingar gert þessi tæki svo viðkvæm að ein ljóseind ​​af ákveðinni bylgjulengd getur kallað fram snjóflóð af þessu tagi. Niðurstaðan er einljóseindaskynjari sem getur fundið flestar ljóseindir sem lenda í honum.

Hins vegar kostar þetta viðkvæmni sitt. Það er auðvelt að sjá hvernig orkumikil ögn getur rifið í gegnum sílikonljósdíóða, sparkað út rafeindum og komið af stað snjóflóði. Og í geimnum skapa svona áhrif svo mikinn bakgrunnshljóð - kallaður myrkurtalningarhlutfall - að það dregur úr merki frá ljóseindunum sem eðlisfræðingar vonast til að mæla.

ónefnd gæs leik lengd

Þannig að verkefni Yang og co var að finna leiðir til að vernda og auka frammistöðu einljóseindaskynjara í atvinnuskyni svo að þeir geti starfað í geimnum.

Fyrsta lagfæring þeirra var einföld - umkringja skynjarann ​​með hlífðarvörn sem hindrar háorkuagnir. Þetta er viðkvæmt jafnvægisverk vegna þess að hlífðarvörn er þung og því dýrt að setja í sporbraut. Samspil hlífarinnar og háorkuagnanna getur einnig skapað sturtur af aukaagnum sem gera myrkrið enn verra.

Yang og co sættust á endanum við skjöld sem samanstendur af tveimur lögum. Ytra lagið er 12 mm álpappír og innra lagið er 4 mm blað af miklu þéttari og þyngri frumefni tantal. Skjöldin sem myndast minnkar geislaskammtinn um 2,5 stuðul.

Þessi hlífðarvörn virkar einnig sem hitaeinangrunarefni, sem gerir liðinu kleift að kæla skynjarana niður í -15 °C. Þetta dregur einnig úr myrkufjölda með því að lágmarka hitasveiflur í kísilskynjaranum.

Að lokum þróaði teymið rafræna rekla sem slökkva á skynjarunum á tímabilum þegar þeir eru viðkvæmir fyrir bakgrunnshávaða, tækni sem kallast eftirpúlsviðnám.

Myrkur talningartíðni í geimnum

Áhrif allra þessara aðferða voru veruleg. Fyrir óvarða einljóseindaskynjara er áætlaður myrkurtalningur yfir 200 talningar á sekúndu. Þetta er of hátt fyrir skammtasamskipti í geimnum.

Hins vegar eru breyttu skynjararnir með myrkutalningartíðni sem er aðeins 0,54 talningar á sekúndu. Það er tveimur stærðargráðum betra.

Árið 2016 settu Yang og co skynjara sína á loft um borð í kínverska Micius gervihnöttnum, skammtatækni sýnishorni sem hefur náð glæsilegri röð byltinga. Til dæmis voru skynjararnir lykilþáttur í því að flytja fyrsta hlutinn frá jörðu á sporbraut — ein ljóseind ​​árið 2017. Gervihnötturinn gerði einnig kleift að gera fyrsta skammtadulkóðaða myndsímtalið milli heimsálfa.

Þessar tilraunir hafa sett vettvang fyrir nýja kynslóð geimbundinna skammtasamskipta. Einstaklingsljóseindaskynjarar okkar opna nýja glugga tækifæra fyrir geimrannsóknir og notkun í sjónfjarskiptum í djúpum geimum, leysigeislasviði fyrir einn ljóseind, sem og til að prófa grundvallarreglur eðlisfræði í geimnum, segja Yang og co.

hversu slæm er loftkæling fyrir umhverfið

Í millitíðinni hefur restin af skammtaeðlisfræðiheiminum horft á öfund. Kína hefur skýra forystu í geimmiðuðum skammtasamskiptum, þó með hjálp frá evrópskum vísindamönnum á lykilsviðum.

Evrópa er að vinna að sýnikennslu á braut um skammtatækni sem kallast öryggis- og dulritunarleiðangur, eða SAGA. Þetta er hluti af miklu stærri áætlun um að búa til skammtasamskiptanet um alla álfuna. Enginn kynningardagur hefur þó verið ákveðinn.

Aftur á móti hafa áætlanir Bandaríkjanna strandað. Árið 2012 hóf hertæknirannsóknarstofan DARPA forrit sem heitir Quiness til að prófa skammtasamskiptatækni í geimnum. En áætlunin - og sviðið almennt - hefur þjáðst af miklum fjárskorti.

Mikilvæg spurning núna er hvernig restin af heiminum, sérstaklega Bandaríkin, ætlar að ná þessu.

Tilvísun: arxiv.org/abs/1910.08161 : Geimfarið, hávaðalítið, eins ljósmyndaskynjun fyrir gervihnattabyggð skammtasamskipti

fela sig

Raunveruleg Tækni

Flokkur

Óflokkað

Tækni

Líftækni

Tæknistefna

Loftslagsbreytingar

Menn Og Tækni

Silicon Valley

Tölvun

Mit News Tímaritið

Gervigreind

Rými

Snjallar Borgir

Blockchain

Eiginleikasaga

Alumni Prófíll

Alumni Tenging

Mit News Lögun

1865

Mín Skoðun

Messugötu 77

Hittu Höfundinn

Prófílar Í Rausnarskap

Sést Á Háskólasvæðinu

Alumni Bréf

Fréttir

Kosningar 2020

Með Vísitölu

Undir Hvelfingu

Brunaslanga

Óendanlegar Sögur

Tækniverkefni Heimsfaraldurs

Frá Forseta

Forsíðufrétt

Myndasafn

Mælt Er Með