Detectores de fóton único de nanofio supercondutor (SNSPDs) são significativamente melhores na eficiência de detecção de fótons (DE) em comparação com seus homólogos semicondutores, e possibilitaram muitas aplicações inovadoras em tecnologias de informação quântica. Uma equipe chefiada pelo Prof. Lixing You do Instituto de Microssistema e Tecnologia da Informação de Xangai (SIMIT), A Academia Chinesa de Ciências (CAS) demonstrou a fabricação e operação de um NbN-SNSPD com eficiência de detecção do sistema acima de 90 por cento a 2,1 K em um comprimento de onda de 1550 nm, que abre caminho para a aplicação prática do SNSPD.

Os resultados foram publicados recentemente em Science China Physics, Mecânica e Astronomia como uma história de imagem de capa. Dr. Weijun Zhang é o primeiro autor e Dr. Lixing You é o autor correspondente.

Em 1550 nm, que é o comprimento de onda mais importante para aplicações, o SNSPD de última geração feito de supercondutor WSi atingiu um recorde DE de 93 por cento, em comparação com o detector InGaAs com DE ~ 30 por cento. Infelizmente, WSi-SNSPD geralmente opera em temperaturas abaixo de Kelvin, exigindo caro, equipamento de refrigeração hostil ao usuário.

Esforços extensivos foram feitos no desenvolvimento de SNSPDs baseados em NbN direcionados a uma temperatura operacional acima de 2K, acessível a resfriadores criogênicos compactos, baratos e fáceis de usar. Com uma década de pesquisa, a eficiência de detecção de NbN-SNSPDs foi aumentada gradualmente para ~ 80 por cento. Contudo, outras melhorias têm se mostrado desafiadoras. Alcançar DE acima de 90 por cento requer a otimização simultânea de muitos fatores, incluindo acoplamento óptico quase perfeito, absorção quase perfeita, e eficiência quântica intrínseca próxima à unidade. As tentativas anteriores de conseguir isso resultaram principalmente de um processo de tentativa e erro.

Este artigo relatou pela primeira vez um sistema NbN-SNSPD baseado em um crioolerante G-M com eficiência de detecção do sistema acima de 90 por cento (na taxa de contagem de escuridão de 10 Hz) a 2,1 K em um comprimento de onda de 1550 nm. A eficiência do dispositivo satura para 92 por cento quando a temperatura é reduzida para 1,8 K.

O sucesso deste dispositivo resulta de uma cavidade integrada do refletor Bragg distribuído (DBR) que oferece detecção de quase unidade na interface, e através da otimização sistemática da geometria sinuosa do nanofio NbN. Os esforços conjuntos permitem que os pesquisadores atinjam simultaneamente os rigorosos requisitos de acoplamento, absorção e eficiência quântica intrínseca. Adicionalmente, o dispositivo exibe instabilidade de tempo até 79 ps, quase metade do WSi-SNSPD relatado anteriormente, promissoras vantagens adicionais em aplicações que requerem alta precisão de tempo. Os dispositivos foram aplicados aos experimentos de fronteira de informação quântica na Universidade de Ciência e Tecnologia da China.

O SNSPD com eficiência de detecção próxima à unidade operacional em um resfriador criogênico compacto, econômico e fácil de usar, fornecerá aos pesquisadores um poderoso, ferramenta acessível, e abre caminho para novos avanços na tecnologia da informação quântica, como computação / simulação quântica óptica e distribuição de chave quântica.