Photon Detector Module gearing up for International Space Station

Wednesday, July 13, 2022
The electronics board resting on a black 3D printed base about the size of the satellite bus. Optical fibre connectors are visible on the vertical boards where the detectors will be placed.

The electronics board resting on a black 3D printed base about the size of the satellite bus. Optical fibre connectors are visible on the vertical boards where the detectors will be placed.

The Waterloo SEAQUE Research Team, from top to bottom: Zhenwen Wang (Science Technical Services), Noura Bayat (Quantum Photonics Laboratory (QPL) undergraduate Research Assistant), Thomas Jennewein (QPL Principal Investigator), Joanna Krynski (QPL Research Associate), and Paul Godin (QPL Senior Technologist)

The Waterloo SEAQUE Research Team, from top to bottom: Zhenwen Wang (Science Technical Services), Noura Bayat (Quantum Photonics Laboratory (QPL) undergraduate Research Assistant), Thomas Jennewein (QPL Principal Investigator), Joanna Krynski (QPL Research Associate), and Paul Godin (QPL Senior Technologist)

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A single-photon detector and counting module (SPODECT) recently built by Waterloo’s Quantum Photonics Lab for the International Space Station (ISS) will be used to verify quantum entanglement and test its survivability in space as part of the Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment (SEAQUE) mission, in a collaboration with researchers at the University of Illinois Urbana-Champaign, the Jet Propulsion Laboratory, ADVR Inc, and the National University of Singapore

Waterloo’s SPODECT module is unique in that it will include four single-photon detectors, multi-channel coincidence detection as well as a microcontroller for operation and photon counting, all in a very compact format. The Waterloo project is headed by faculty member Thomas Jennewein at the Institute for Quantum Computing (IQC) and Department of Physics and Astronomy, and is led by research associate Joanna Krynski. The work is a partnership of the Quantum Photonics Lab (QPL) with Excelitas Inc. (Canada) who provided the Silicon-APD devices, and Dotfast Consulting (Austria) who provided the internal coincidence detection solution.

Serving as a continuation of the Cool Annealing Payload Satellite (CAPSat) project that intended to perform in-orbit measurements and annealing of silicon single-photon detectors, SEAQUE is the first ever space-based quantum experiment that integrates a source of entangled photon pairs using an optical waveguide crystal, which offers a higher photon pair production efficiency than regular bulk crystals. SEAQUE’s pioneering design will also use a bright laser to repeatedly heal damage resulting from radiation exposure in between rounds of detecting photons generated from the entanglement source. This process, known as optical annealing, will help mitigate the increase of radiation-induced detector noise without the method of extreme cooling as used previously.

“This new detector module design is a step towards building a quantum communication technology at lower cost and lower complexity systems than conventional designs,” said Krynski. “Our experiment will determine the viability of this new approach and whether it can be useful for future quantum information satellite networks.”

“The SEAQUE mission will demonstrate a novel and efficient photon pair source, and a custom single-photon detector system, which could be a part of future quantum entanglement network nodes in space,” said Jennewein. "The main benefit of space-based entanglement distribution will be that it enables quantum networking at much greater distances than purely ground-based architecture, as the space borne signals avoid the limitations of obstacles or absorptive media.”

One of the most exciting challenges for this project was to fit all of the required hardware for the SEAQUE system into the specifications laid out by commercial partner Nanoracks — a  box that is only 30 cm by 20 cm by 10 cm of which Waterloo’s detector module SPODECT can only occupy a small fraction. Additionally, the chosen components must survive the turbulent launch, extreme temperature limits and exposure to space radiation.

SEAQUE is planned to launch early next year on NG-19, arriving at the ISS to reside in the Bishop Airlock. View the recording of CAPSAT’s launch from October 2021.

The Waterloo team acknowledges funding support by the Canadian Space Agency (FAST program).

Read more: Space Station to Host ‘Self-Healing’ Quantum Communications Tech Demo, Jet Propulsion Laboratory at the California Institute of Technology.

 

Une source de photons intriqués en préparation pour la Station spatiale internationale

Un module de détection et de comptage de photons individuels (SPODECT) récemment conçu et réalisé par le laboratoire de photonique quantique de l’Université de Waterloo pour la Station spatiale internationale (SSI) servira à vérifier l’intrication quantique et à tester sa survivabilité dans l’espace, dans le cadre de la mission SEAQUE (Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment – Expérience quantique d’intrication et de recuit dans l’espace), menée en collaboration avec des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, du Jet Propulsion Laboratory (JPL) d’ADVR inc. et de l’Université nationale de Singapour.

Le module SPODECT de Waterloo est unique en son genre puisqu’il comprendra 4 détecteurs de photons individuels, un circuit embarqué de comptage de coïncidences, de même qu’un microcontrôleur de gestion de son fonctionnement, le tout dans un format très compact. Le projet de Waterloo est mené par l’associée de recherche Joanna Krynski, sous la direction de Thomas Jennewein, professeur à l’Institut d’informatique quantique (IQC) ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie. Ces travaux sont réalisés dans le cadre d’un partenariat entre le laboratoire de photonique quantique, Excelitas inc. (Canada), qui a fourni les photodiodes à avalanche au silicium, et Dotfast Consulting (Autriche), qui a fourni le dispositif interne de détection de coïncidences.

Mise en œuvre dans la foulée du projet CAPSat (Cool Annealing Payload Satellite – Satellite sympa de recuit), qui effectue en orbite des mesures et le recuit de détecteurs de photons individuels au silicium, SEAQUE constitue la toute première expérience quantique menée dans l’espace qui intègre une source de paires de photons intriqués faisant appel à un cristal guide d’ondes optique, dont le taux de production de paires de photons est de 2 ordres de grandeur supérieur à celui de cristaux ordinaires. La conception avant-gardiste de SEAQUE comporte en outre un laser brillant pour remédier régulièrement aux dommages d’irradiation, entre les rondes de détection des photons produits par la source d’intrication. Ce processus, dit de recuit optique, contribuera à diminuer l’augmentation dans le détecteur du bruit dû aux rayonnements, sans exiger un refroidissement extrême comme auparavant.

« Ce nouveau module de détection constitue une étape vers la réalisation d’une technologie de communication quantique moins coûteuse et moins complexe que les systèmes conventionnels, a déclaré Mme Krynski. Notre expérience déterminera la viabilité de cette nouvelle méthode et son éventuelle utilité pour de futures réseaux satellitaires d’information quantique. » [traduction]

« La mission SEAQUE fera la démonstration d’une source innovatrice et efficace de paires de photons, ainsi que d’un système personnalisé de détection de photons individuels, qui pourraient faire partie de nœuds d’un réseau d’intrication quantique dans l’espace, a déclaré M. Jennewein. Le principal avantage de cette distribution d’intrication dans l’espace réside dans la capacité de transmettre de l’information quantique sur des distances 10 fois plus grandes qu’avec des signaux terrestres, étant donné que, dans l’espace, les signaux évitent les limites dues aux obstacles ou aux milieux absorbants. » [traduction]

L’un des défis les plus stimulants de ce projet a été de faire entrer tout le matériel nécessaire au module SEAQUE dans les dimensions spécifiées par le partenaire commercial Nanoracks — une boîte de seulement 30 cm × 20 cm × 10 cm —, dont le module SPODECT de Waterloo ne peut occuper qu’une petite fraction. De plus, les composants choisis doivent survivre aux turbulences du lancement, aux températures extrêmes et aux rayonnements présents dans l’espace.

La mission SEAQUE sera lancée l’an prochain vers la SSI et restera en permanence dans le module Bishop Airlock. Visionnez l’enregistrement du lancement de CAPSat en octobre 2021.

L’équipe de l’Université de Waterloo remercie l’Agence spatiale canadienne (programme VITES) de son soutien.

Lecture supplémentaire : Space Station to Host ‘Self-Healing’ Quantum Communications Tech Demo(Une station spatiale accueillera une démonstration d’autoréparation de communications quantiques), publié par le JPL à l’Institut de technologie de la Californie.