Tæller enkelte fotoner med hidtil usete hastigheder

I avanceret kommunikation i det 21. århundrede, information bevæger sig i form af en strøm af lysimpulser, der typisk rejser gennem fiberoptiske kabler. Hver puls kan være så svag som en enkelt foton, den mindst mulige enhed (kvante) af lys. Den hastighed, hvormed sådanne systemer kan fungere, afhænger i høj grad af, hvor hurtigt og hvor nøjagtigt detektorer på den modtagende ende kan skelne og behandle disse fotoner.

Nu har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) udtænkt en metode, der kan detektere individuelle fotoner med en hastighed 10 gange hurtigere end den bedste eksisterende teknologi, med lavere fejlprocenter, højere detektionseffektivitet, og mindre støj.

"Mens klassisk kommunikation og detektering kan fungere med lynende hastigheder, kvantesystemer, som har brug for den ultimative følsomhed for de svageste pulser, er begrænset til meget lavere hastigheder, " sagde gruppeleder Alan Migdall. "At kombinere den ultimative følsomhed med evnen til at opnå optælling af fotoner ved høje hastigheder har været en langvarig udfordring. Her skubber vi begge ydeevnegrænser, alle i den samme enhed."

NIST-innovationen indebærer et større redesign af kontrolelektroniksystemet omkring en arbejdshestedetektor kaldet en Single Photon Avalanche Diode (SPAD), hvor en indkommende foton udløser et lille, men målbart strømudbrud over en halvleder. SPAD'er bruges ikke kun i optisk kommunikation, men også i lidar (en højfrekvent pendant til radar) og andre former for 3D-billeddannelse, og i PET-scanninger, blandt andre anvendelser.

En spænding påføres over halvlederen. Når en foton rammer detektoren, dens absorberede energi sparker en elektron fra et atom i halvlederen - den samme fotoelektriske effekt, der genererer elektricitet i solpaneler.

Den løse elektron accelereres af den påførte spænding og forårsager en slags kædereaktion, hvor et stort antal tilstødende atomer frigiver en "lavine" af elektroner, ligesom en lille ekstra stress kan få en hel bjergside af sne til at kollapse. Den lavinestrøm er udgangssignalet. Endelig, enheden nulstilles ved at slukke for strømmen med en modspænding og genskabe den oprindelige påførte spænding. Fordi lavinen involverer et så stort antal elektroner, at få hele systemet tilbage til en stille tilstand, hvor det er klar til at detektere en anden foton, er udfordrende.

En konventionel SPAD kan detektere fra 1 million til 10 millioner fotoner i sekundet. Det kan virke hurtigt, men det er ikke nok til at imødekomme de voksende behov for moderne kommunikation. At hæve kursen, imidlertid, har været problematisk på grund af de mange afvejninger, der er involveret.

For eksempel, tykkelsen af ​​absorptionslaget, som den indkommende foton rammer, bestemmer, hvor sandsynligt det er, at enheden fanger den indkommende foton:tykke absorbere (omkring 0,1 mm, omkring bredden af ​​et menneskehår) har en højere sandsynlighed for fotonfangst på grund af deres større dybde; tyndere lag har større chance for, at fotonen vil passere uopdaget igennem.

Men jo tykkere absorberen er, jo højere den påførte spænding skal være. Og højere spændinger kan producere større laviner - store nok til at overophede enheden, reducerer detektionseffektiviteten samt øger risikoen for falske "efterimpulser", hvor resterende elektroner fanget i halvlederen udløser en sekundær lavine efter at SPAD er nulstillet.

For at reducere efterpulser, det er nødvendigt at nulstille systemet på to nanosekunder (milliarddele af et sekund) eller mindre. Konventionelle moduler, der registrerer strømmen og derefter anvender quenchen, kan ikke fungere så hurtigt, historisk begrænser ydeevnen af ​​tyk-absorberende SPAD'er til omkring 10 millioner tællinger pr. sekund eller færre. Det er generelt blevet antaget, at tyk-absorberende SPADS er uegnede til højere mængdetal.

For at overvinde disse problemer i en tyk-absorberende enhed, NIST-teamet - som rapporterede sine resultater i Anvendt fysik bogstaver —begyndte at eksperimentere med et avanceret elektroniksystem til en kommercielt tilgængelig tykabsorberende SPAD.

Ligesom mange sådanne systemer, SPAD'en "gated" slukkes og tændes gentagne gange - dvs. den nulstilles kontinuerligt af en påført vekselspænding ved en eller anden frekvens. Som resultat, den længste tidsperiode, hvor SPAD'en kan producere en lavine, er gate-intervallet. "Typiske gating-frekvenser for disse typer SPAD'er er blevet begrænset til ikke højere end 150 megahertz, " sagde NIST-associeret Michael Wayne, første forfatter på tidsskriftsartiklen. [1 MHz er en million cyklusser pr. sekund.]

"Det betyder, at SPAD'en er i stand til at lave lavine i seks eller syv nanosekunder, " sagde Wayne. "Selvom dette måske ikke ser ud som lang tid, den er lang nok til, at enheden både bliver fuldt mættet med ladning – hvilket øger uønsket efterpulsering – og til at blive varm nok ved høje tællehastigheder til at sænke dets detektionseffektivitet. At lukke ved en højere frekvens - og dermed forkorte den maksimale varighed af en lavine - ville mindske begge disse effekter. Men fordi lavinen ikke får lov til at vokse så længe, den kan blive for lille til at registrere over 'støjen' forårsaget af åbning og lukning af lågen."

For at overvinde det problem, holdet udviklede en metode, der ligner støjreducerende hovedtelefoner:at anvende et radiofrekvenssignal, der præcist udligner støjen. Det gjorde det muligt for dem at betjene SPAD med en milliard cyklusser i sekundet (én gigahertz, GHz).

trækker støjen fra, sagde projektleder Joshua Bienfang, "Vi er i stand til at afsløre ekstremt små laviner. Derudover, den høje frekvens betyder, at porten kun er åben i 500 picosekunder. [Ét ps er en billiontedel af et sekund. 500 ps er et halvt nanosekund.] Dette resulterer i en reduktion i den gennemsnitlige lavinestrøm med omkring en faktor 500, sænker både efterpulserende og selvopvarmende effekt, og giver os mulighed for at tælle med hastigheder på op til 100 millioner i sekundet."

"Det nye SPAD-design kan finde praktiske anvendelser i applikationer af kvantekommunikation og kvanteberegning, " sagde Migdall. "Begge disse tilbyder funktioner, der ikke er mulige med konventionel kommunikation og beregning. Og begge disse applikationer ville drage fordel af hurtigere, enkeltfotondetektorer med lavere støj."

"Dette nye design vil sandsynligvis påvirke en række kvanteapplikationer. De spænder fra enkelt-foton sensing, hvor hurtigere tællehastigheder og lavere støj reducerer tiden for eksisterende målinger, til det nye kvanteinternet, som er kritisk afhængig af enkelt-foton detektion til kvantekommunikation og kvanteberegning. Begge disse kan forventes at have en meget væsentlig indflydelse på vores samfund og økonomi."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.