At tælle fotoner er nu rutine nok til at kræve standarder

Siden National Institute of Standards and Technology (NIST) byggede sine første superledende enheder til at tælle fotoner (de mindste lysenheder) i 1990'erne, disse engang sjældne detektorer er blevet populære forskningsværktøjer over hele verden. Nu, NIST har taget et skridt i retning af at muliggøre universelle standarder for disse enheder, som bliver stadig vigtigere inden for videnskab og industri.

Single-photon detectors (SPD'er) er nu nøglen til forskningsområder lige fra optisk kommunikation og astrofysik til banebrydende informationsteknologier baseret på kvantefysik, såsom kvantekryptografi og kvanteteleportation.

For at sikre deres nøjagtighed og pålidelighed, SPD'er skal evalueres og sammenlignes med nogle benchmark, ideelt set en formel standard. NIST-forskere udvikler metoder til at gøre det og er allerede begyndt at udføre tilpassede kalibreringer for den håndfuld virksomheder, der laver SPD'er.

NIST-teamet har netop offentliggjort metoder til at måle effektiviteten af ​​fem SPD'er, inklusive en lavet på NIST, som optakt til at tilbyde en officiel kalibreringstjeneste.

"Dette er et første skridt i retning af implementering af en kvantestandard - vi producerede et værktøj til at verificere en fremtidig enkeltfoton-detektionsstandard, " NIST-fysiker Thomas Gerrits sagde. "Der er ingen standard lige nu, men mange nationale metrologiinstitutter, inklusive NIST, arbejder på dette."

"Der har været journalartikler om dette emne før, men vi lavede dybtgående usikkerhedsanalyser og beskrev meget detaljeret, hvordan vi lavede testene, " sagde Gerrits. "Målet er at tjene som reference for vores planlagte kalibreringstjeneste."

NIST er unikt kvalificeret til at udvikle disse evalueringsmetoder, fordi instituttet laver de mest effektive SPD'er i verden og konstant forbedrer deres ydeevne. NIST har specialiseret sig i to superledende designs - det ene baseret på nanotråde eller nanostrips, evalueret i den nye undersøgelse, og overgangskantsensorer, skal studeres i den nærmeste fremtid. Fremtidigt arbejde kan også omhandle standarder for detektorer, der måler meget lave lysniveauer, men som ikke kan tælle antallet af fotoner.

I det moderne metriske system, kendt som SI, den grundlæggende måleenhed, der er tættest relateret til fotondetektion, er candela, som er relevant for lys detekteret af det menneskelige øje. Fremtidige SI-redefinitioner kan omfatte fotontællingsstandarder, som kunne tilbyde en mere præcis måde at måle lys på i form af candela. Enkeltfoton lysniveauer er mindre end en milliard af mængderne i nuværende standarder.

Det nye papir beskriver NIST's brug af konventionelle teknologier til at måle SPD-detektionseffektivitet, defineret som sandsynligheden for at detektere en foton, der rammer detektoren og producerer et målbart resultat. NIST-teamet sikrede, at målingerne kan spores til en primær standard for optiske strømmålere (NIST's Laser Optimized Cryogenic Radiometer). Målerne bevarer nøjagtigheden, da målingerne skaleres ned til lave lysniveauer, med den overordnede måleusikkerhed hovedsagelig på grund af effektmålerens kalibrering.

Forskerne målte effektiviteten af ​​fem detektorer, inklusive tre siliciumfoton-tællende fotodioder og NISTs nanotrådsdetektor. Fotoner blev sendt med optisk fiber til nogle målinger og gennem luften i andre tilfælde. Målinger blev foretaget for to forskellige bølgelængder af lys, der almindeligvis anvendes i fiberoptik og kommunikation. Usikkerhederne varierede fra et lavpunkt på 0,70% for målinger i fiber ved en bølgelængde på 1533,6 nanometer (nm) til 1,78% for over-the-air aflæsninger ved 851,7 nm.