Att använda enstaka fotoner som qubits har blivit en framträdande strategi inom kvantinformationsteknologi. Att noggrant bestämma antalet fotoner är avgörande i olika kvantsystem, inklusive kvantberäkning, kvantkommunikation och kvantmetrologi.
Photon-number-resolving detectors (PNRD) spelar en avgörande roll för att uppnå denna noggrannhet och har två huvudsakliga prestandaindikatorer:resolving fidelity, som mäter sannolikheten för att korrekt registrera antalet infallande fotoner, och dynamiskt omfång, som beskriver den maximala upplösbara fotonen nummer.
Supraledande nanostrip enfotondetektorer (SNPD) anses vara den ledande tekniken för enfotondetektion. De erbjuder nästan perfekt effektivitet och höghastighetsprestanda.
Men när det gäller fotonnummerupplösning har SNSPD-baserade PNRD:er kämpat för att hitta en balans mellan trohet och dynamiskt omfång. Befintliga SNSPD:er i arraystil, som delar infallande fotoner mellan ett begränsat antal pixlar, möter trohetsbegränsningar. Dessa detektorer kallas därför kvasi-PNRDs.
SNSPD:er fungerar genom att bryta den lokala supraledningsförmågan hos en smal, kyld, strömförspänd remsa när en foton absorberas. Detta skapar en lokal resistiv region som kallas en hotspot, och den resulterande strömmen avleds genom ett belastningsmotstånd, vilket genererar en detekterbar spänningspuls.
Därför kan en SNSPD med en tillräckligt lång supraledande remsa ses som en kaskad av tusentals element, och n-foton som samtidigt aktiverar olika element bör generera n icke-överlappande hotspots. Konventionella SNSPD:er i kombination med modifierade kryogena avläsningar kan dock bara lösa 3-4 fotontal, vilket resulterar i ett lågt dynamiskt omfång.
Som rapporterats i Avancerad fotonik , har forskare från Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), kinesiska vetenskapsakademin, gjort framsteg när det gäller att förbättra förmågan att lösa fotonnummer hos SNSPD:er.
Genom att öka bandbredden eller den totala induktansen kunde de övervinna bandbreddsbegränsningar och tidsjitter i avläsningselektronik. Detta resulterade i utsträckta stigande kanter och förbättrat signal-brusförhållande i svarspulserna, och därmed förbättrad avläsningsfidelitet.
Genom att bredda den supraledande remsan till en mikrometerskala har forskarna presenterat den första observationen av sanna fotontals upplösning upp till 10 med hjälp av den supraledande mikrostrip-singelfotondetektorn (SMSPD). Överraskande nog uppnådde de dessa resultat även utan användning av kryogena förstärkare. Avläsningssäkerheten nådde imponerande 98 procent för 4-fotonhändelser och 90 procent för 6-fotonhändelser.
Dessutom föreslog forskarna en dual-channel timing setup för att möjliggöra realtidsfotonnummeravläsning. Detta tillvägagångssätt reducerade avsevärt datainsamlingskraven med tre storleksordningar och förenklade avläsningsinställningarna. De visade också användbarheten av deras system inom kvantinformationsteknologi genom att skapa en kvantgenerator för slumptal baserad på sampling av pariteten för ett koherent tillstånd.
Denna teknik säkerställer opartiskhet, robusthet mot experimentella brister och omgivningsljud och motståndskraft mot avlyssning.
Denna forskning representerar ett betydande framsteg inom området PNRDs. Med ytterligare förbättring av detekteringseffektiviteten för SMSPD:er kan denna teknik bli lättillgänglig för olika optiska kvantinformationstillämpningar. Dessa resultat belyser potentialen hos SNSPD:er eller SMSPD:er för att uppnå högtrohet och fotonnummerupplösning med stort dynamiskt omfång.
Mer information: Ling-Dong Kong et al, supraledande mikrostrip-fotondetektor med stor induktans som möjliggör 10 fotonnummerupplösning, Avancerad fotonik (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.1.016004
Journalinformation: Avancerad fotonik
Tillhandahålls av SPIE
