Detector capabil să numere fotonii, dezvoltat pentru calculatoarele cuantice optice
Detectarea unui singur foton este deja o provocare în sine. Însă fizicianul Erik Baalbergen merge mai departe: în cadrul cercetărilor sale doctorale la Universitatea Leiden, el a lucrat la detectoare de lumină care pot stabili exact câți fotoni ajung simultan într-un anumit punct. Aceste dispozitive reprezintă o componentă esențială pentru viitoarele calculatoare cuantice optice.
„Experiments with light” – adică experimentele cu lumină – au fost dintotdeauna cele care i-au plăcut cel mai mult, spune Baalbergen. Proiectul său reunește optică, electronică și fizica stării solide, iar tocmai intersecția acestor domenii îl fascinează. Teza sa, intitulată „Photon-Number Resolution with Superconducting Nanowires”, a fost susținută pe 3 noiembrie.
Distincția între unul, doi sau mai mulți fotoni
Echipa a dezvoltat o tehnică ce permite diferențierea între unul, doi și trei sau mai mulți fotoni. Un calculator cuantic optic are nevoie de un detector capabil să numere exact particulele de lumină care trec prin el, deoarece acestea sunt folosite pentru efectuarea calculelor. Până acum, detectoarele puteau stabili doar dacă existau sau nu fotoni, fără a le număra.
Noul detector măsoară exact câți fotoni au fost prezenți, iar măsurătorile oferă și informații despre gradul de certitudine al rezultatului. Baalbergen recunoaște că pare un pas mic, dar îl consideră un avans fundamental semnificativ. Detectorul necesită încă dezvoltare, însă direcția aleasă este una promițătoare.
Fire superconductoare care reacționează la lumină
Cercetătorul a studiat fire extrem de subțiri, realizate dintr-un material care prezintă rezistență electrică zero la temperaturi foarte scăzute – așa-numiții detectori cu fire superconductoare. Când un foton lovește un astfel de fir, starea sa electrică se modifică și se generează un semnal măsurabil.
Una dintre soluțiile tehnice investigate de Baalbergen vizează conexiunea inteligentă între detector și electronica ce citește semnalul, astfel încât o parte mai mică din semnalul electric să se piardă.
Colaborare cu fizicieni teoreticieni
Pe parcursul cercetării, Baalbergen a colaborat și cu fiziciana teoreticiană Ilse Kuijf, tot doctorandă la Leiden. Aceasta investighează modul în care analiza îmbunătățită a datelor și noile tehnici de inteligență artificială pot extrage mai multe informații din datele unor experimente deja finalizate.
Împreună cu studentul lor de masterat Lars Seldenthuis, Kuijf și Baalbergen au avut ideea de a analiza nu doar amplitudinea semnalului electric, ci și modul în care acesta evoluează în timp. Astfel, au găsit o metodă de a deduce mai precis câți fotoni a detectat dispozitivul. Metoda impune cerințe relativ reduse pentru electronica de citire și este prin urmare rapidă și ușor de aplicat. Rezultatele au fost publicate în APS Open Science în iulie.
O componentă pentru viitor
Un detector de fotoni este doar una dintre componentele unui calculator cuantic optic, însă fiecare dintre ele este esențială pentru dezvoltarea tehnologiei. În timp, calculatoarele cuantice vor putea efectua calcule complexe, extrem de dificile pentru calculatoarele convenționale, cum ar fi înțelegerea mai bună a reacțiilor chimice sau proiectarea de noi molecule și materiale.
Un avantaj major al calculatorului cuantic optic față de cel superconductiv este că aproape toate componentele sale funcționează la temperatura camerei, ceea ce elimină nevoia unui sistem amplu de răcire până aproape de zero absolut – o economie importantă de bani și timp, explică Baalbergen.
În timpul cercetării doctorale, Baalbergen a colaborat cu compania QuiX Quantum, care în vara anului 2026 a lansat primul prototip funcțional al calculatorului său cuantic optic. Cercetătorul estimează că un detector de fotoni precum cel dezvoltat la Leiden va fi integrat în generația următoare a acestui calculator, permițându-i să efectueze calcule cu o precizie și mai mare.
