NIST-forskare har uppnått ett världsrekord när det gäller att upptäcka intensiteten hos en extremt svag ljuskälla, motsvarar kapaciteten hos djupa rymdinstrument på Hubble rymdteleskop men fungerar 100 gånger snabbare och med motsvarande noggrannhet.

De gjorde det under utvecklingen av en "universal quantum bus" - ett nytt system för att tillåta fotoniska förbindelser mellan olika komponenter i en kvantdator, var och en kan arbeta med ett mycket olika och smalt område av fotonfrekvens. Det nya signalomvandlingsschemat "ger en kvantlänk mellan olika materialsystem som arbetar vid olika frekvenser, säger Ivan Burenkov, första författare i en ny rapport från ett team vid NIST's Physical Measurement Laboratory som nyligen publicerades i Optik Express .

Konventionella datorer hanterar data på flera sätt i olika material:De behandlar information som elektriska laddningar i kiselchips (små transistorer i integrerade kretsar), lagra den i magnetisk form på hårddiskar, och överför det som fotoner över fiberoptiska linjer. Liknande, kvantkretsar kan behöva överföra information via fotoner bland kvantpunkter, atomer, instängda joner, eller andra materialsystem.

Problemet är att var och en av dessa komponenter svarar på mycket olika ljusfrekvenser. En signal som produceras av en komponent, som en kvantpunkt, kan behöva överföras till en instängd jon som endast är känslig för fotoner med en mycket högre frekvens än den ursprungliga pricksignalen. Att överbrygga det gapet kräver en frekvensomvandlare som kan bevara de sköra kvanttillstånden hos signalfotonerna utan att lägga till brus.

I strävan efter det målet, forskarna använde en optisk teknik som kallas "uppkonvertering" där en relativt lågenergifoton-insignalen-kombineras med en "pump" ljusstråle och sedan dirigeras genom en speciell "olinjär" kristall. Genom att passera genom kristallen, energierna för både ingången och pumpen är sammanfogade, producerar en enstaka utgående foton med en högre frekvens och därför högre energi. (Det är "upp" i upp-konvertering.)

En ihållande svårighet med tekniken är att pumpstrålen kan innehålla så mycket kraft att när den träffar kristallen genererar den en stor mängd "brus" i form av oönskade fotoner som kan överbelasta de känsliga kvanttillstånden.

"Vi löste det problemet när vi fann att avståndet mellan pumpfrekvens och signalfrekvens borde vara ganska stort för att få en relativt ljudlös upp-omvandlare, "Säger Burenkov.

Projektgruppen använde en pumpstråle av kontinuerlig, högeffektljus med en standard telekomvåglängd på 1550 nanometer (nm, miljarder av en meter), och sammanfogade den med ingångsfoton vid en nära infraröd våglängd på 920 nm. Den uppkonverterade utgående fotonen var en synlig gul med en våglängd på 577 nm. Den stora separationen mellan dessa våglängder minskade väsentligt bakgrundsemissionen.

Men det lämnade fortfarande den oerhörda svårigheten att upptäcka och mäta de återstående, mycket liten, bakgrund. Forskarna fann att deras uppkonverterare producerar bakgrundsfoton med en hastighet av ungefär 100 per timme. Det motsvarar i skala det svaga ljuset som kommer från de mörkaste avlägsna astronomiska föremålen.

Att fånga och karakterisera sådant svagt ljus kräver en utsökt känslig fotondetektor. Teamet använde en enhet, utvecklad på NIST's Boulder, Colo., campus, kallas en övergångskantsensor (TES). Den drivs med 0,1 kelvin över absolut noll, och innehåller ett tunt lager av supraledande material genom vilket en liten ström strömmar. När en foton träffar strängen, det höjer temperaturen kort, orsakar en stigning i det elektriska motståndet och en motsvarande strömfall som registreras som en vågform. Olika våglängder ger vågformer som är märkbart olika, och den skillnaden kan användas för att skilja buller. NIST-forskarna kunde kalibrera TES genom att bestämma vilka vågformer som var associerade med olika bakgrundsfotonvåglängder.

Till och med det, dock, var inte tillräckligt för att fullständigt karakterisera bakgrunden eftersom TES -detektorer, som alla enkelfotonsensordesigner, utsätts för en ihållande felkälla som kallas "mörkräkning" - en signal som spelas in när ingen foton faktiskt är närvarande, på grund av slumpmässiga termiska eller andra effekter i detektorn.

Teamets konverterdesign gör att detektorn kan köras på ett sätt som resulterar i en mycket reducerad mörkräkningshastighet. Eftersom hög energi, uppkonverterade utgående fotoner registrerar sig som större toppar i detektorn än de flesta låga energimörkräkningar, det är möjligt att justera detektorsystemet så att det filtrerar bort alla signaler som faller under ett visst energitröskelvärde. På så sätt kasseras många falska signaler innan de räknas. Men det återstod för att hitta ett sätt att skilja de återstående mörka räkningarna från bakgrundsfoton.

För att åstadkomma det, forskarna registrerade 10, 000 vågformer från uppkonverterade fotoner, liksom vågformer från bakgrundsljud ensam och vågformer från mörka räkningar ensam. De fann att både bakgrundsfoton och mörka räkningar hade vågformer som skiljer sig tydligt i amplitud och form från de uppkonverterade utgående fotonerna, och justerade detektorsystemet för att avvisa båda.

Resultatet var en tusenfaldig minskning av mörkräkningshastigheten, vilket gjorde det möjligt för laget att göra svaga ljusmätningar med absolut absolut noggrannhet på en bråkdel av den tid som tidigare krävdes.

"På rymdteleskopet Hubble, de samlar in data om extremt svaga objekt i rymden i några månader, "säger medförfattaren Sergey Polyakov." Vi samlar in jämförbara data under mindre än 24 timmar, men med lika eller ännu bättre noggrannhet. "

Uppkonverteringsschemat kan användas för olika våglängder med lämpliga modifieringar. Så småningom, Burenkov säger, det kan bli en universell kvantbuss.