Sedan National Institute of Standards and Technology (NIST) byggde sina första supraledande enheter för att räkna fotoner (de minsta ljusenheterna) på 1990 -talet, dessa en gång sällsynta detektorer har blivit populära forskningsverktyg över hela världen. Nu, NIST har tagit ett steg mot att möjliggöra universella standarder för dessa enheter, som blir allt viktigare inom vetenskap och industri.

Enkelfotondetektorer (SPD) är nu nyckeln till forskningsområden som sträcker sig från optisk kommunikation och astrofysik till banbrytande informationsteknologi baserad på kvantfysik, såsom kvantkryptografi och kvantteleportation.

För att säkerställa deras noggrannhet och tillförlitlighet, SPD:er måste utvärderas och jämföras med något riktmärke, helst en formell standard. NIST-forskare utvecklar metoder för att göra det och har redan börjat utföra skräddarsydda kalibreringar för en handfull företag som tillverkar SPD.

NIST -teamet har just publicerat metoder för att mäta effektiviteten hos fem SPD, inklusive en gjord på NIST, som ett förspel till att erbjuda en officiell kalibreringstjänst.

"Detta är ett första steg mot implementering av en kvantstandard – vi tog fram ett verktyg för att verifiera en framtida enfotondetektionsstandard, " NIST-fysikern Thomas Gerrits sa. "Det finns ingen standard just nu, men många nationella metrologiinstitut, inklusive NIST, jobbar på detta."

"Det har funnits tidskrifter om detta ämne tidigare, men vi gjorde djupgående osäkerhetsanalyser och beskrev mycket detaljerat hur vi gjorde testerna, "Syftet är att fungera som referens för vår planerade kalibreringstjänst", sa Gerrits.

NIST är unikt kvalificerat att utveckla dessa utvärderingsmetoder eftersom institutet gör de mest effektiva SPD:erna i världen och ständigt förbättrar deras prestanda. NIST specialiserar sig på två supraledande konstruktioner - en baserad på nanotrådar eller nanostrips, utvärderas i den nya studien, och övergångssensorer, ska studeras inom en snar framtid. Framtida arbete kan också ta upp standarder för detektorer som mäter mycket låga ljusnivåer men som inte kan räkna antalet fotoner.

I det moderna metriska systemet, känd som SI, den grundläggande måttenheten som är närmast relaterad till fotondetektion är candela, som är relevant för ljus som upptäcks av det mänskliga ögat. Framtida SI-omdefinitioner kan inkludera fotonräknestandarder, vilket skulle kunna erbjuda ett mer exakt sätt att mäta ljus i termer av candela. Ljusnivåer med en foton är mindre än en miljarddel av beloppen i nuvarande standarder.

Det nya dokumentet beskriver NIST:s användning av konventionell teknik för att mäta SPD-detekteringseffektivitet, definieras som sannolikheten att detektera en foton som träffar detektorn och producerar ett mätbart resultat. NIST -teamet såg till att mätningarna kan spåras till en primär standard för optiska effektmätare (NISTs Laser Optimized Cryogenic Radiometer). Mätarna bibehåller noggrannheten när mätningarna skalas ner till låga ljusnivåer, med den övergripande mätosäkerheten främst på grund av effektmätarens kalibrering.

Forskarna mätte effektiviteten hos fem detektorer, inklusive tre kiselfotonräknande fotodioder och NIST:s nanotrådsdetektor. Fotoner skickades med optisk fiber för vissa mätningar och genom luften i andra fall. Mätningar gjordes för två olika våglängder av ljus som vanligtvis används inom fiberoptik och kommunikation. Osäkerheter varierade från låga 0,70% för mätningar i fiber vid en våglängd på 1533,6 nanometer (nm) till 1,78% för luftmätningar vid 851,7 nm.