Enkeltfoton-detektor kan tælle til fire

Ingeniører har vist, at en meget brugt metode til at detektere enkelte fotoner også kan tælle tilstedeværelsen af ​​mindst fire fotoner ad gangen. Forskerne siger, at denne opdagelse vil frigøre nye muligheder i fysiklaboratorier, der arbejder med kvanteinformationsvidenskab rundt om i verden, samtidig med at de giver nemmere veje til at udvikle kvantebaserede teknologier.

Undersøgelsen var et samarbejde mellem Duke University, Ohio State University og industripartner Quantum Opus, og optrådte online den 14. december i tidsskriftet Optica .

"Eksperter på området forsøgte at gøre dette for mere end ti år siden, men deres bagside-af-kuvert-beregninger konkluderede, at det ville være umuligt, sagde Daniel Gauthier, en professor i fysik ved Ohio State, som tidligere var formand for fysik ved Duke. "De fortsatte med at lave forskellige ting og besøgte det aldrig igen. De havde det fastlåst, at det ikke var muligt, og at det ikke var værd at bruge tid på."

"Da vi præsenterede vores data, verdens eksperter blev bare blæst bagover, " fortsatte Jungsang Kim, professor i elektro- og computerteknik ved Duke. "Det er godt at have en gruppe som vores, der kom i gang lidt senere, besluttede at prøve noget, fordi vi ikke havde skyklapper på."

Opdagelsen omhandler en ny metode til at bruge en fotondetektor kaldet en superledende nanowire single-photon detector (SNSPD).

I hjertet af detektoren er en superledende filament. En superleder er et specielt materiale, der kan bære en elektrisk strøm for evigt med nul tab ved lave temperaturer. Men ligesom et normalt stykke kobbertråd, en superleder kan kun bære så meget elektricitet på én gang.

En SNSPD fungerer ved at oplade et sløjfesegment af superledende ledning med en elektrisk strøm tæt på dens maksimale grænse. Når en foton passerer forbi, det får den maksimale grænse i en lille del af ledningen til at falde, skabe et kortvarigt tab af superledningsevne. Det tab, på tur, får et elektrisk signal til at markere tilstedeværelsen af ​​fotonen.

I den nye opsætning, forskerne er særligt opmærksomme på den specifikke form af den indledende spids i det elektriske signal, og vise, at de kan få nok detaljer til korrekt at tælle mindst fire fotoner, der rejser sammen i en pakke.

"Foto-nummer-opløsning er meget nyttig til en masse kvanteinformation/kommunikation og kvanteoptikeksperimenter, men det er ikke en nem opgave, " sagde Clinton Cahall, en elektroingeniør ph.d.-studerende ved Duke og førsteforfatter af papiret. "Ingen af ​​de kommercielle muligheder er baseret på superledere, som giver den bedste ydeevne. Og mens andre laboratorier har bygget superledende detektorer med denne evne, de er sjældne og mangler den nemme opsætning såvel som dens følsomhed på vigtige områder såsom tællehastighed eller timingopløsning."

For at andre laboratorier kan gøre brug af opdagelsen, alt, hvad de behøver, er en specifik type forstærker til at booste SNSPD's lille elektriske signal. Forstærkeren skal arbejde ved de samme lave temperaturer som SNSPD - minus 452 grader Fahrenheit - for at reducere baggrundsstøj. Det skal også have bred båndbredde for at undgå at forvrænge signalet. Sådanne forstærkere er allerede kommercielt tilgængelige, og mange laboratorier har dem.

Resultaterne vil give forskere over hele verden, der arbejder inden for kvantemekanik, mulighed for straks at få nye evner med deres eksisterende udstyr. Som et eksempel, Duke-Ohio State-gruppen rapporterede også for nylig, hvordan brug af timingen af ​​indkommende fotoner ud over deres kvantetilstande i høj grad kunne øge hastigheden af ​​kvantekrypteringsteknikker.

Holdet arbejder nu på at optimere deres opsætning for at se, hvor langt de kan strække dets evner. De tror med den rigtige elektronik og lidt øvelse, de kunne tælle 10 eller endda 20 fotoner ad gangen. Gruppen har også ansøgt om patent på at skabe hyldevarer baseret på deres metode.