Numărarea cuantelor de flux magnetic oferă o nouă metodă de măsurare a numărului de fotoni
Cercetătorii de la Institutul Național de Știință și Tehnologie Industrială Avansată (AIST) au observat direct cuantele de flux magnetic generate într-un superconductor prin absorbția fotonilor și au demonstrat un nou principiu de detectare a fotonilor care identifică numărul de fotoni pe baza numărului acestor cuante de flux.
Detectarea fotonilor individuali este o tehnologie esențială pentru calculatoarele cuantice fotonice și comunicațiile cuantice, iar mai multe metode au fost propuse de-a lungul timpului. Deși unele dintre aceste metode sunt deja utilizate în practică în scopuri de cercetare, integrarea lor în aplicații industriale abia a început.
Într-un studiu publicat în revista Physical Review Applied, noua abordare a detectării fotonilor combină două capacități importante: rezoluția ridicată a numărului de fotoni, dificil de obținut cu tehnologiile convenționale, și operarea la viteză mare, dezirabilă pentru aplicațiile industriale.
Cerințe precise de numărare a fotonilor în tehnologiile cuantice
În calculul cuantic optic, utilizarea fotonilor ca qubiți este așteptată să permită calcule cuantice rapide și la scară largă, în timp ce în comunicațiile cuantice, utilizarea fotonilor ca purtători de informație cuantică este așteptată să permită comunicații cu securitate informațională ridicată.
Pentru a avansa aceste tehnologii fotonice cuantice, este necesar să se detecteze fotonii cu eficiență și precizie ridicate. În special, detectarea cu rezoluție a numărului de fotoni (PNRD), care nu doar detectează prezența sau absența unui foton, ci distinge și numărul exact de fotoni (1, 2, 3 etc.), este o tehnologie critică cu aplicații anticipate în evaluarea surselor de fotoni unici, calculul cuantic bosonic și schemele avansate de comunicații cuantice.
Deși PNRD a fost utilizată ca tehnică cheie de măsurare în cercetarea opticii cuantice, sunt necesare îmbunătățiri suplimentare ale vitezei pentru implementarea sa viitoare în calculatoarele cuantice optice la scară largă și în infrastructura de comunicații cuantice.
Compromisul dintre rezoluție și viteză
Detectorii tipici de fotoni includ senzori superconductori cu tranziție de margine (TES) și detectori superconductori cu nanofire pentru fotoni unici (SNSPD). În timp ce dispozitivele TES pot rezolva numărul individual de fotoni până la mai mulți fotoni, ele măsoară energia fotonului sub formă de căldură, ceea ce necesită timp pentru răcire și astfel limitează viteza de operare a unui dispozitiv TES.
În schimb, SNSPD-urile funcționează extrem de rapid. Totuși, deși pot detecta sosirea unui foton, nu pot determina energia acestuia. Prin urmare, pentru a determina numărul de fotoni folosind PNRD, este necesar să se combine numeroși detectori.
În prezent, obținerea simultană a capacității ridicate de rezoluție a numărului de fotoni a TES și a vitezei ridicate a SNSPD rămâne o provocare tehnică semnificativă. Pentru a realiza ambele, este necesară o nouă metodă de detectare optică, nu doar rafinarea tehnologiilor existente.
Numărarea fotonilor prin cuante de flux magnetic
Când un foton este absorbit de un superconductor, gradientul fazei superconductoare devine instabil, generând o pereche de cuante de flux magnetic. Pe măsură ce aceste cuante de flux magnetic traversează superconductorul, are loc o alunecare de fază, rezultând un semnal de tensiune cuantizat generat de efectul Josephson.
În acest studiu, observarea acestui semnal de tensiune cuantizat permite identificarea directă a numărului de fotoni incidenți. Detectorii convenționali superconductori de numărare a fotonilor măsurau modificările de temperatură după atingerea echilibrului termic în urma absorbției fotonului. În contrast, această tehnologie utilizează dinamica fazei superconductoare care are loc imediat după absorbția luminii.
Deoarece nu este necesar să se aștepte un răspuns termic, această abordare este așteptată să conducă la o tehnologie de numărare a fotonilor de mare viteză care depășește metodele convenționale.
