Os engenheiros mostraram que um método amplamente usado de detecção de fótons individuais também pode contar a presença de pelo menos quatro fótons por vez. Os pesquisadores dizem que esta descoberta vai desbloquear novos recursos em laboratórios de física que trabalham na ciência da informação quântica em todo o mundo, enquanto fornece caminhos mais fáceis para o desenvolvimento de tecnologias baseadas em quantum.

O estudo foi uma colaboração entre a Duke University, a Ohio State University e parceira da indústria Quantum Opus, e apareceu online em 14 de dezembro no jornal Optica .

"Especialistas na área estavam tentando fazer isso há mais de uma década, mas seus cálculos finais concluíram que seria impossível, "disse Daniel Gauthier, um professor de física no estado de Ohio que foi anteriormente a cadeira de física na Duke. "Eles passaram a fazer coisas diferentes e nunca revisitaram. Eles tinham na mente que não era possível e que não valia a pena gastar tempo nisso."

“Quando apresentamos nossos dados, especialistas mundiais ficaram maravilhados, "continuou Jungsang Kim, professor de engenharia elétrica e da computação na Duke. "É ótimo ter um grupo como o nosso, que começou um pouco mais tarde, decidindo tentar algo porque não tínhamos nenhuma venda".

A descoberta trata de um novo método para usar um detector de fótons chamado detector de fóton único supercondutor nanofio (SNSPD).

No coração do detector está um filamento supercondutor. Um supercondutor é um material especial que pode transportar uma corrente elétrica para sempre sem perdas em baixas temperaturas. Mas, assim como um pedaço normal de fio de cobre, um supercondutor pode transportar apenas um determinado limite de eletricidade de uma vez.

Um SNSPD funciona carregando um segmento em loop de fio supercondutor com uma corrente elétrica próxima de seu limite máximo. Quando um fóton passa, faz com que o limite máximo em uma pequena parte do fio caia, criando uma breve perda de supercondutividade. Essa perda, por sua vez, faz com que um sinal elétrico marque a presença do fóton.

Na nova configuração, os pesquisadores prestam atenção especial à forma específica do pico inicial do sinal elétrico, e mostrar que eles podem obter detalhes suficientes para contar corretamente pelo menos quatro fótons viajando juntos em um pacote.

"A resolução do número de fótons é muito útil para muitos experimentos de informação / comunicação quântica e óptica quântica, mas não é uma tarefa fácil, "disse Clinton Cahall, estudante de doutorado em engenharia elétrica na Duke e primeiro autor do artigo. “Nenhuma das opções comerciais é baseada em supercondutores, que fornecem o melhor desempenho. E enquanto outros laboratórios construíram detectores supercondutores com essa capacidade, eles são raros e não têm a facilidade de nossa configuração, bem como sua sensibilidade em áreas importantes, como velocidade de contagem ou resolução de tempo. "

Para que outros laboratórios façam uso da descoberta, tudo o que eles precisam é de um tipo específico de amplificador para aumentar o minúsculo sinal elétrico do SNSPD. O amplificador deve funcionar nas mesmas baixas temperaturas do SNSPD - menos 452 graus Fahrenheit - para reduzir o ruído de fundo. Ele também deve ter uma largura de banda ampla para evitar distorcer o sinal. Esses amplificadores já estão disponíveis comercialmente e muitos laboratórios os possuem.

Os resultados permitirão que pesquisadores de todo o mundo que trabalham em mecânica quântica ganhem imediatamente novas habilidades com seus equipamentos existentes. Por exemplo, o grupo Duke-Ohio State também relatou recentemente como o uso do tempo de entrada dos fótons, além de seus estados quânticos, poderia aumentar muito a velocidade das técnicas de criptografia quântica.

A equipe agora está trabalhando para otimizar sua configuração para ver até onde eles podem expandir suas habilidades. Eles acreditam que com a eletrônica certa e um pouco de prática, eles podiam contar 10 ou até 20 fótons por vez. O grupo também entrou com um pedido de patente para criar dispositivos prontos para uso com base em seu método.