En ny kvantsensor utvecklad av forskare vid University of Waterloos Institute for Quantum Computing (IQC) har bevisat att den kan överträffa befintliga teknologier och lovar betydande framsteg inom långdistans 3D-avbildning och övervakning av framgången för cancerbehandlingar.

Sensorerna är de första i sitt slag och är baserade på halvledarnanotrådar som kan detektera enstaka ljuspartiklar med hög timingupplösning, hastighet och effektivitet över ett oöverträffat våglängdsområde, från ultraviolett till nära-infrarött.

Tekniken har också förmågan att avsevärt förbättra kvantkommunikation och fjärranalysfunktioner.

"En sensor måste vara mycket effektiv för att detektera ljus. I applikationer som kvantradar, övervakning, och nattdrift, mycket få ljuspartiklar återgår till enheten, " sa chefsutredaren Michael Reimer, en IQC-fakultetsmedlem och biträdande professor vid Tekniska fakultetens el- och datatekniska avdelning. "I dessa fall, du vill kunna upptäcka varenda foton som kommer in."

Nästa generations kvantsensor designad i Reimers labb är så snabb och effektiv att den kan absorbera och detektera en enda partikel av ljus, kallas en foton, och uppdatera till nästa inom nanosekunder. Forskarna skapade en rad avsmalnande nanotrådar som omvandlar inkommande fotoner till elektrisk ström som kan förstärkas och detekteras.

Fjärranalys, höghastighetsbilder från rymden, skaffa långväga högupplösta 3D-bilder, kvantkommunikation, och singletsyredetektering för dosövervakning vid cancerbehandling är alla applikationer som kan dra nytta av den sorts robusta singelfotondetektion som denna nya kvantsensor ger.

Den halvledande nanotrådsuppsättningen uppnår sin höga hastighet, tidsupplösning och effektivitet tack vare kvaliteten på dess material, antalet nanotrådar, dopningsprofil och optimering av nanotrådens form och arrangemang. Sensorn känner av ett brett spektrum av ljus med hög effektivitet och hög timingupplösning, allt under drift i rumstemperatur. Reimer framhåller att spektrumabsorptionen kan breddas ytterligare med olika material.

"Denna enhet använder indiumfosfid (InP) nanotrådar. Ändra materialet till indiumgalliumarsenid (InGaAs), till exempel, kan utöka bandbredden ytterligare mot telekommunikationsvåglängder med bibehållen prestanda, " sa Reimer. "Det är toppmodernt nu, med potential för ytterligare förbättringar."

När prototypen är förpackad med rätt elektronik och bärbar kylning, sensorn är redo för testning utanför labbet. "Ett brett utbud av industrier och forskningsfält kommer att dra nytta av en kvantsensor med dessa möjligheter, sa Reimer.

I samarbete med forskare vid Eindhovens tekniska universitet, Avsmalnande InP nanotrådsuppsättningar för effektiv bredbandsupptäckning av en foton med hög hastighet publicerades i Naturens nanoteknik den 4 mars. Denna forskning genomfördes delvis tack vare finansiering från Canada First Research Excellence Fund (CFREF).