Tekst: EGON ASTRA, TOOMAS KÜBARSEPP, ANDREI POKATILOV, MATT RAMMO, MEELIS-MAIT SILDOJA
Kuvand metroloogist kui sinises kitlis isikust, kes askeldab ringi kaalupommidega, on visa kaduma, ehkki ka mõõteteadusega tegelejate seas on nobeliste. Näiteks 1920. aastal sai Charles Édouard Guillaume, omaaegne rahvusvahelise kaalude ja mõõtude büroo direktor (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM), Nobeli auhinna nikli ja terase sulamite (invar, elinvar) leiutamise ja omaduste uurimise eest. Tänu Guillaume’i uuringutele paranes navigatsioon, sest invarit, millel on nullilähedane soojuspaisumistegur, hakati kasutama laevade kronomeetrites, kus ühtlast temperatuuri on väga keeruline hoida.
BIPM avaldas 2019. a kauakestva rahvusvahelise koostöö tulemusena rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI uued definitsioonid, mille järgi kõik seitse põhiühikut rajanevad füüsikaliste põhikonstantide fikseeritud arvväärtustel. Uurides ja rakendades kvantfüüsikalisi nähtusi, võimaldavad fikseeritud väärtused täpselt väljendada põhiühikute arvväärtusi.
Kvantfüüsikalistel nähtustel põhinevad mõõtemeetodid on kvanttehnoloogia arengu alus. Kvantarvutid, eri rakendused kvantsides, uuenduslikud sensorid, arenev meditsiinitehnoloogia ja aja ülitäpne mõõtmine tuginevad meie võimele mõista kvantfüüsikalisi nähtusi ning seeläbi arendada välja veel täpsemaid mõõtemeetodeid. Peale selle on kvantmetroloogiat vaja tõestamaks hüpoteesi – kas väidetav protsess rajaneb tõepoolest kvantnähtustel –, mille saab seejärel teoorias ja praktikas kasutusele võtta. Kvantmetroloogiaga tegeletakse ka Eestis, täpsemalt ASis Metrosert, mis etendab Eesti metroloogia keskasutuse osa.
Üksikute footonite püüdmine
Metrosert võttis kvantmetroloogiaga süvenenumalt käsile rahvusvahelises projektis „Üksikute ja põimitud footonite allikad kvantmetroloogia tarbeks“ (Single- and entangled photon sources for quantum metrology; EURAMET/EMPIR 20FUN05, 2021–2024). Projekti viis Metrosert ellu koostöös KBFI, Aalto ülikooli, Tšehhi metroloogiainstituudi (CMI), Berliini tehnikaülikooli (TUB) ja Erlangen-Nürnbergi Friedrich-Alexanderi ülikooliga (FAU), saavutades suutlikkuse mõõta üksikute footonite voogusid 200 – 10 000 kcps (tuhat loendamist sekundis) täpsusega ±10 kuni ±2%. Selline nivoovahemik lubab uurida valdavat osa üksikute footonite allikaid ja kalibreerida laviin-detektoreid, mis on vajalikud arendamaks kvanttehnoloogilisi seadmeid.
Projekti käigus arendasime välja Põhja-Euroopas ainulaadse mõõtesüsteemi üksikute footonite allikate usaldusväärseks mõõtmisteks. Selle aluseks olev skeem on alloleval joonisel.
Skeemi lõime aegkorreleeritud üksikute footonite loendamise (Time-Correlated Single Photon Counting Capability) meetodil. See tähendab, et suudame mõõtmiste tulemusena registreerida, kas allikast kiirgub üksikuid footoneid või hajuskiirgust. Mõõtekompleksi on lisatud spektromeeter tundliku CCD-kaameraga ja lisaseadmega, millega saab väliseid üksikute footonite allikaid (portable single photon source (SPS)) ühendada, et neid metroloogiliselt kirjeldada (vt pilt 1).
Üksikutel footonitel põhinev sidetehnoloogia
Tuleviku kvantvõrgud kasutavad kvantmehaanika põhimõtteid kvantinfo (kvantbittide) edastamiseks eri asukohtade vahel. Kvantinfo kandjaks sobivad hästi üksikud footonid ehk valgusosakesed nii optilises kius kui ka vabas ruumis. Kvantvõrkudel on suur potentsiaal kutsuda esile pööre sellistes valdkondades nagu turvaline kommunikatsioon, hajutatud kvantarvutus ja kõrgtäpsusega mõõtmine.
Üks küpsemaid kvantvõrkude rakendusi on kvantvõtme jaotamise (Quantum Key Distribution,QKD) tehnoloogia, mis viib küberturvalisuse täiesti uuele tasemele. Turule on ilmunud uued seadmed, mis loovad kvantvõtmeid tunnustatud protokolli järgi. Kui kvantvõtme jaotamise protokolli tehnilisest teostusest kaldutakse kõrvale, võib kvantside sattuda turvariski. Kvantmetroloogia aitab veenduda, et seadmed toimivad usaldusväärselt.
Kvantside projekti EstQCI (Estonian Quantum Communication Infrastructure) käigus uurib Metrosert QKD-seadmepaari, kuhu kuulub kvantvõtme jaoks sobivaid footoniolekuid genereeriv ja edastav seade (saatja) ning footoneid loendav ja analüüsiv seade (vastuvõtja). Footonite olekuid genereeritakse umbkaudu lainepikkusel 1550 nm ja eeldatavasti nõrkadel voogudel < 10 Mcps (miljonit loendust sekundis). Seadmepaar on omavahel ühendatud optilise kiuga, mille pikkust saab muuta, kasutades muudetava väärtusega optilist nõrgendajat.
Selleks et saatjast väljuva footonivoo olemust uurida, rakendab Metrosert kahte üksikute footonite laviindetektorit IR-SPAD (vt allolevaid fotosid)
Reguleeritava suikeajaga kuni 80 ms on võimalik 10-protsendise efektiivsusega määrata kindlaks footonite saabumist müratasemel alla 500 loendust sekundis. Kui rakendada katikut, saab mõõta sisendisignaali kuni kordussageduseni 100 MHz. Detekteerimise tõhusust on võimalik suurendada kuni 35 protsendini, kuid signaali ja müra suhe halveneb. Suhteliselt suur müratase takistab IR-SPAD kasutamist footoneid eraldava (photon number resolving,PNR) detektorina. Kui soovitakse üksikute footonite statistikat otseselt mõõta, siis võib rakendada kas siirdeääre tajurit (Transition-Edge Sensor,TES) või ülijuhtiva nanotraadiga üksikfootondetektorit (Superconducting Nanowire single photon detector,SNSPD).
SNSPD on ülitäpne optiline detektor, mis suudab üksikuid footoneid tuvastada väga suure tundlikkusega ja väga tõhusalt, võimaldades kiiret reageerimisaega ja suurt ajalahutust. SNSPD-detektoris kasutatakse õhukest ülijuhtivat nanotraati, mis jahutatakse temperatuurini 2,5 K. See on eelis võrreldes TES-detektoriga, mida tuleb jahutada temperatuurini 100 mK.
Metrosert kasutab SNSPD-detektorit, millega mõõdame nõrku valgusvoogusid nii laborioludes kui ka tegelikes fiiberoptilise kommunikatsiooni ehk valguskaabli võrkudes. Samuti võimaldab ülitundlik SNSPD-detektor kombata vastuvõtja omaduste, näiteks detekteerimise piire, millel põhineb seadmepaari kvantvõtme loomine väidetavat QKD-protokolli järgides.
Üksikute footonite mõõtmise jälgitavus
Mõõtetulemusi üksikute footonite tasemel tuleb esitada tunnustatud ja arusaadaval viisil, st rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI ühikutes. Selleks et siduda footonite loendusrežiimis töötavate detektorite signaal süsteemi SI ühikutega, saame rakendada kalibreeritud nõrgendaja meetodit. Selle tarbeks oleme kirjeldanud ja konstrueerinud mitu nn tunneldetektorit, millel on mõõtmiste seisukohalt oluline omadus: need fotodetektorid võimaldavad mõõta optilise kiirguse väärtust ja samal ajal jälgida selle ajalist stabiilsust. Tunneldetektoris neeldumata jäänud nõrka valgusvoogu, mille optiline võimsus on hästi teada, saab suunata üksikute footonite loendurisse ning registreerides elektrilist signaali, selle lugemit vajaduse korral korrigeerida.
Nõrku footonvooge mõõtes on tähtis täpselt mõõta detektorite genereeritud elektrivoolu väikseid tasemeid. Moodsad ülitäpsed vooluallikad põhinevad keerukatel eksperimentidel, kaasates mitut kvantefektil töötavat seadet. Seepärast arendatakse praktilisemat moodust, kasutades täiustatud elektronide allikaid ja täpset toatemperatuuril toimivat võimendit, millega saab elektrivoolu võimendada kuni 1000 korda. Elektrivoolu pärast võimendit saab taas täpselt mõõta Josephsoni ja Halli seadmetega, mis põhinevad kvantefektil.
Niisugune ülistabiilne madala müratasemega vooluvõimendi (Ultrastable Low-noise Current Amplifier, ULCA) on olemas ka Metroserdis. See võetakse kasutusele, kui on vaja genereerida elektrivoolu väikseid tasemeid ning tagada täppisseadmete, sh ioniseeriva ja mitteioniseeriva kiirguse mõõtevahendite usaldusväärsus.
Kokkuvõtteks
Tõenäoliselt saavad üsna vähesed detailselt aru kvantfüüsikal põhinevate tehnoloogiliste arenduste tööpõhimõtetest. Uuendusliku tehnoloogia aluseks olevaid kvantfüüsikalisi nähtusi ei saa silmaga näha ega käega katsuda. Kvantfüüsika nähtustel rajanev metroloogiline uurimistöö on vajalik veendumaks, et arendatud seadmed töötavad just nii, nagu ette nähtud. Metrosert osaleb edaspidigi kvantmetroloogia uurimistöös, et ka Eestis leiduks teadlasi, kes sellist tehnoloogiat mõistavad ja suudavad edasi arendada ning et neil teadlastel oleks järelekasvu.
Egon Astra (1989), Matt Rammo (1988) ja Meelis-Mait Sildoja (1981) on Metroserdi teadurid.
Toomas Kübarsepp (1965) on Metroserdi juhtivteadur.
Andrei Pokatilov (1978) on Metroserdi elektriliste suuruste riigietaloni labori vanemteadur.