The quantum internet is one step closer to reality as researchers have demonstrated an effective regime for controlling noise in the photon detectors of a quantum satellite.“This experiment is an important demonstration of a crucial subsystem for the quantum satellite under the kind of conditions that the satellite will actually face in orbit,” said Brendon Higgins, a Research Associate at the Institute for Quantum Computing (IQC) and the University of Waterloo Department of Physics and Astronomy, and the Science Team Technical Lead of the Quantum EncrYption and Science Satellite (QEYSSat).
Left to right: Ian DSouza, Sascha Agne, Jin Gyu Lim [seated], Thomas Jennewein, Jean-Philippe Bourgoin, Brendon Higgins, and Ramy Tannous.
The QEYSSat mission aims to launch Canada’s first quantum satellite in early 2023 to serve as a technology demonstration for quantum satellite links. A quantum satellite network could secure our most precious data through the fundamental laws of quantum mechanics, using quantum key distribution (QKD).
To make the quantum internet possible, researchers need to be able to send photons carrying quantum information to satellites in orbit, and the satellites need single photon detectors that can receive the message. But proton radiation in space and the very nature of the detectors themselves often contribute to a kind of false positive noise called dark counts.
Combatting dark counts has been one of the key technical challenges the QEYSSat science team led by Thomas Jennewein, a faculty member at IQC and in the University of Waterloo Department of Physics and Astronomy, has been working to address. If they can limit dark counts, the detectors can do their job detecting real incoming quantum keys sent from ground stations on Earth.
The team set out to find the best approach to reduce dark counts and ensure their detectors can pick up a clean quantum signal. There are two main ways to combat dark counts: heating and cooling.
In a previous experiment, the team brought some photon detectors to the TRIUMF particle accelerator in Vancouver and bombarded them with the kind of proton radiation that they would face in space for set intervals of time. They kept the detectors as cool as possible without resorting to large, expensive cryostats that would be a logistical and financial challenge to launch into orbit and found that the lower temperature helped reduce dark counts to a nearly acceptable level.
To repair the damage done by the radiation and reduce the dark counts even further, the team then tried an approach called annealing. Annealing is a process where a material is heated up just enough that the thermal energy helps work out any defects in it. They found that annealing got the dark counts down to the levels necessary to facilitate successful quantum key distribution.
“However, the fact is these detectors will be orbiting in space and continually accumulating proton radiation and the corresponding defects,” said Higgins. “So the key question is: when do you decide to perform the annealing?”
That is what the team set out to discover in their latest publication in EPJ Quantum Technology.
As the satellite bearing the detectors orbits the Earth, it will need to connect with ground stations it passes at certain times, and at other times it will be just travelling. What the team wanted to find out was whether the dark counts were kept under control best by annealing at set periods during the satellite’s orbit, or if the annealing should only take place once the dark counts reach a certain threshold. They also wanted to know if the repetitive exposure to radiation would make the dark counts unmanageable.
To find out, the researchers needed a much more complicated experiment that allowed them to cool the detectors and irradiate them, and then anneal them, and then cool and irradiate them again, repeatedly, better simulating actual operation in orbit.
“We found that we were able to keep the dark counts below the threshold we need to achieve to support the QKD protocol want to use,” said Higgins.
And they also found that whether they annealed on a set schedule or based on the incidence of dark counts didn’t make a significant difference, so for the actual QEYSSat launch, they will err on the side of caution and only anneal when the dark counts exceed a predefined threshold.
There is still much work to be done before Canada launches its first satellite for quantum communication in 2023, but these latest results are an important step towards a functioning quantum internet.
Repeated radiation damage and thermal annealing of avalanche photodiodes was published in EPJ Quantum Technology on May 17, 2021.
Chaud et froid : maîtriser le bruit dans un satellite quantique
Le réseau Internet quantique est plus près de devenir une réalité depuis que des chercheurs ont montré une manière efficace de contrôler le bruit dans les détecteurs de photons d’un satellite quantique. « Cette expérience constitue une démonstration importante d’un sous-système crucial du satellite quantique, dans des conditions semblables à celles auxquelles il fera face lorsqu’il sera en orbite » [traduction], a déclaré Brendon Higgins, assistant de recherche à l’Institut d’informatique quantique (IQC) ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, et technicien en chef de l’équipe scientifique de QEYSSat (Quantum EncrYption and Science Satellite – Satellite de cryptographie et physique quantiques).
De gauche à droite : Ian DSouza, Sascha Agne, Jin Gyu Lim [assis], Thomas Jennewein, Jean-Philippe Bourgoin, Brendon Higgins et Ramy Tannous
La mission QEYSSat vise le lancement au début de 2023 du premier satellite quantique canadien, qui servira de démonstration technique d’un lien satellitaire quantique. Un réseau de satellites quantiques pourrait protéger nos données les plus précieuses en faisant appel aux lois fondamentales de la mécanique quantique, par le truchement de la distribution quantique de clés (DQC).
Pour que le réseau Internet quantique soit possible, il faut pouvoir envoyer des photons porteurs d’information quantique vers des satellites en orbite, et ces satellites doivent être équipés de détecteurs de photons individuels capables de recevoir cette information. Mais le rayonnement protonique présent dans l’espace et la nature des détecteurs eux-mêmes contribuent souvent à une sorte de bruit faux positif appelé bruit de comptage.
La lutte contre le bruit de comptage est l’un des principaux défis techniques auxquels s’attaque l’équipe scientifique de la mission QEYSSat, dirigée par Thomas Jennewein, professeur à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo. S’ils parviennent à limiter le bruit de comptage, les détecteurs peuvent accomplir leur tâche de détection des clés quantiques véritables provenant des stations au sol.
L’équipe s’est mise à la recherche de la meilleure méthode pour diminuer le bruit de comptage et faire en sorte que ses détecteurs puissent recevoir un signal quantique pur. Les 2 principaux moyens de lutter contre le bruit de comptage sont la chaleur et le froid.
Dans une expérience précédente, l’équipe a apporté quelques détecteurs de photons dans l’accélérateur de particules de TRIUMF, à Vancouver, et les a soumis pendant des périodes déterminées au type de rayonnement protonique qu’ils subiraient dans l’espace. Les scientifiques ont maintenu les détecteurs à une température aussi basse que possible sans recourir aux volumineux et coûteux cryostats qu’il serait difficile et onéreux de mettre en orbite. Les chercheurs ont constaté qu’une basse température contribuait à réduire le bruit de comptage à un niveau presque acceptable.
Pour réparer les dommages causés par le rayonnement et diminuer encore plus le bruit de comptage, l’équipe a ensuite essayé la méthode dite de recuit (ou recuisson). Le recuit consiste à chauffer un matériau juste assez pour que l’énergie thermique aide à en supprimer les défauts. L’équipe a constaté que le recuit abaissait le bruit de comptage à des niveaux requis pour permettre la distribution quantique de clés.
« Par contre, dit M. Higgins, lorsqu’ils seront en orbite dans l’espace, ces détecteurs vont constamment être soumis au rayonnement protonique et accumuler les défauts correspondants. La question importante est donc de savoir quand effectuer le recuit. » [traduction]
L’équipe propose une réponse à cette question dans son plus récent article publié dans EPJ Quantum Technology.
Dans son orbite autour de la Terre, le satellite ayant à son bord les détecteurs devra à certains moments communiquer avec des stations au sol, alors qu’à d’autres moments il va simplement poursuivre sa route. Les scientifiques voulaient savoir si, pour maîtriser le bruit de comptage, il était préférable de faire des recuits à des moments définis ou seulement lorsque le bruit de comptage atteindrait un certain seuil. Ils voulaient aussi savoir si l’exposition répétée au rayonnement fait en sorte que le bruit de comptage devient incontrôlable.
Pour répondre à ces questions, l’équipe a dû mener une expérience beaucoup plus complexe, qui lui permettait de refroidir les détecteurs, les irradier, puis faire un recuit, puis à nouveau refroidir et irradier les détecteurs, et ainsi de suite, afin de mieux simuler leur fonctionnement en orbite.
« Nous nous sommes rendu compte que nous pouvions maintenir le bruit de comptage sous le seuil nécessaire pour soutenir le protocole de DQC que nous souhaitons utiliser » [traduction], dit M. Higgins.
L’équipe a également constaté que le fait de procéder aux recuits selon un horaire défini ou selon l’incidence du bruit de comptage ne faisait pas une grande différence. Par conséquent, pour le lancement du QEYSSat, l’équipe a décidé de prendre plus que moins de précautions et de procéder à un recuit seulement lorsque le bruit de comptage aura dépassé un seuil prédéfini.
Il y a encore beaucoup de travail à faire avant le lancement en 2023 du premier satellite canadien de communication quantique, mais ces récents résultats constituent une étape importante vers la réalisation d’un réseau Internet quantique fonctionnel.
L’article intitulé Repeated radiation damage and thermal annealing of avalanche photodiodes (Dommages d’irradiation et recuits thermiques répétés de photodiodes à avalanche) a été publié le 17 mai 2021 dans EPJ Quantum Technology.