I avancerad 2000-talskommunikation, information färdas i form av en ström av ljuspulser som vanligtvis färdas genom fiberoptiska kablar. Varje puls kan vara så svag som en enda foton, minsta möjliga enhet (kvantum) ljus. Den hastighet med vilken sådana system kan arbeta beror kritiskt på hur snabbt och hur noggrant detektorer på den mottagande änden kan urskilja och bearbeta dessa fotoner.

Nu har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) utarbetat en metod som kan upptäcka individuella fotoner med en hastighet 10 gånger snabbare än den bästa befintliga tekniken, med lägre felfrekvens, högre detektionseffektivitet, och mindre buller.

"Medan klassisk kommunikation och detektering kan fungera i rasande hastigheter, kvantsystem, som behöver den ultimata känsligheten för de svagaste pulserna, är begränsade till mycket lägre hastigheter, ", sade gruppledaren Alan Migdall. "Att kombinera den ultimata känsligheten med förmågan att uppnå räkning av fotoner med höga hastigheter har varit en långvarig utmaning. Här pressar vi båda prestandagränserna i samma enhet."

NIST-innovationen innebär en stor omdesign av styrelektroniksystemet som omger en arbetshästdetektor som kallas Single Photon Avalanche Diode (SPAD) där en inkommande foton utlöser en liten men mätbar strömskur över en halvledare. SPAD används inte bara i optisk kommunikation, men också i lidar (en högfrekvent motsvarighet till radar) och andra typer av 3D-bilder, och i PET-skanningar, bland annat användningsområde.

En spänning appliceras över halvledaren. När en foton träffar detektorn, dess absorberade energi sparkar bort en elektron från en atom i halvledaren – samma fotoelektriska effekt som genererar elektricitet i solpaneler.

Den lösa elektronen accelereras av den pålagda spänningen och orsakar en slags kedjereaktion där ett stort antal intilliggande atomer släpper en "lavin" av elektroner precis som en liten extra stress kan få en hel bergssida av snö att kollapsa. Den lavinströmmen är utsignalen. Till sist, enheten återställs genom att släcka strömmen med en motspänning och återställa den initiala pålagda spänningen. Eftersom lavinen involverar ett så stort antal elektroner, att få hela systemet tillbaka till ett tyst tillstånd där det är redo att upptäcka en annan foton är utmanande.

En konventionell SPAD kan detektera från 1 miljon till 10 miljoner fotoner per sekund. Det kan tyckas snabbt, men det räcker inte för att möta de växande behoven hos modern kommunikation. Att höja kursen, dock, har varit problematisk på grund av de många avvägningar som är inblandade.

Till exempel, tjockleken på absorptionsskiktet som den inkommande fotonen träffar avgör hur sannolikt enheten är att fånga den inkommande fotonen:tjocka absorbatorer (cirka 0,1 mm, ungefär samma bredd som ett människohår) har en högre sannolikhet för fotonfångning på grund av deras större djup; tunnare lager har större chans att fotonen kommer att passera oupptäckt.

Men ju tjockare absorbenten är, ju högre den pålagda spänningen måste vara. Och högre spänningar kan producera större laviner – tillräckligt stora för att överhetta enheten, minskar detekteringseffektiviteten samt ökar risken för falska "efterpulser" där överblivna elektroner fångade i halvledaren sätter igång en sekundär lavin efter att SPAD har återställts.

För att minska efterpulser, det är nödvändigt att återställa systemet på två nanosekunder (miljarddelar av en sekund) eller mindre. Konventionella moduler som känner av strömmen och sedan applicerar dämpningen kan inte fungera så snabbt, historiskt sett begränsat prestandan för tjockabsorberande SPAD:er till cirka 10 miljoner räkningar per sekund eller färre. Det har allmänt antagits att SPADS med tjocka absorberande material är olämpliga för högre hastighetsvärden.

För att övervinna dessa problem i en tjockabsorberande enhet, NIST-teamet – som rapporterade sina resultat i Bokstäver i tillämpad fysik —började experimentera med ett avancerat elektroniksystem för en kommersiellt tillgänglig tjockabsorberande SPAD.

Liksom många sådana system, SPAD är "gated" av och på upprepade gånger - det vill säga, den återställs kontinuerligt av en pålagd växelspänning vid någon frekvens. Som ett resultat, den längsta tidsperioden under vilken SPAD kan producera en lavin är grindintervallet. "Typiska grindfrekvenser för dessa typer av SPAD har begränsats till högst 150 megahertz, " sa NIST-medarbetare Michael Wayne, första författare på tidskriftsartikeln. [1 MHz är en miljon cykler per sekund.]

"Det betyder att SPAD kan göra laviner i sex eller sju nanosekunder, " sa Wayne. "Även om det här kanske inte verkar vara så lång tid, den är tillräckligt lång för att enheten både ska bli helt mättad med laddning – vilket ökar oönskad efterpulsering – och att bli tillräckligt varm vid höga räknehastigheter för att sänka dess detektionseffektivitet. Instängning vid en högre frekvens – vilket förkortar den maximala varaktigheten av en lavin – skulle minska båda dessa effekter. Men eftersom lavinen inte tillåts växa så länge, den kan bli för liten för att upptäcka "buller" som orsakas av att öppna och stänga porten."

För att övervinna det problemet, teamet utvecklade en metod som liknar brusreducerande hörlurar:att applicera en radiofrekvenssignal som exakt kompenserar bruset. Det gjorde att de kunde använda SPAD med en miljard cykler per sekund (en gigahertz, GHz).

dra bort bruset, sa projektledaren Joshua Bienfang, "vi kan avslöja extremt små laviner. Dessutom, den höga frekvensen gör att porten är öppen i endast 500 pikosekunder. [Ett ps är en biljondels sekund. 500 ps är en halv nanosekund.] Detta resulterar i en minskning av den genomsnittliga lavinströmmen med ungefär en faktor 500, sänker både efterpulserande och självuppvärmningseffekter, och låter oss räkna med hastigheter upp till 100 miljoner per sekund."

"Den nya SPAD-designen kan hitta praktiska användningsområden i tillämpningarna av kvantkommunikation och kvantberäkning, ", sa Migdall. "Båda dessa erbjuder funktioner som inte är möjliga med konventionell kommunikation och beräkning. Och båda dessa applikationer skulle dra nytta av snabbare, enfotondetektorer med lägre brus."

"Denna nya design kommer sannolikt att påverka ett antal kvanttillämpningar. De sträcker sig från enkelfotonavkänning, där snabbare räknehastigheter och lägre brus minskar tiden för befintliga mätningar, till det framväxande kvantinternet, som förlitar sig kritiskt på singelfotondetektion för kvantkommunikation och kvantberäkning. Båda dessa kan förväntas ha en mycket betydande inverkan på vårt samhälle och ekonomi."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.