Desde que o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) construiu seus primeiros dispositivos supercondutores para contagem de fótons (as menores unidades de luz) na década de 1990, esses detectores, antes raros, tornaram-se ferramentas de pesquisa populares em todo o mundo. Agora, O NIST deu um passo para permitir padrões universais para esses dispositivos, que estão se tornando cada vez mais importantes na ciência e na indústria.

Detectores de fóton único (SPDs) são agora essenciais para áreas de pesquisa que vão desde comunicações ópticas e astrofísica até tecnologias de informação de ponta baseadas na física quântica, como criptografia quântica e teletransporte quântico.

Para garantir sua precisão e confiabilidade, SPDs precisam ser avaliados e comparados a algum benchmark, idealmente, um padrão formal. Os pesquisadores do NIST estão desenvolvendo métodos para fazer isso e já começaram a realizar calibrações personalizadas para um punhado de empresas que fazem SPDs.

A equipe do NIST acaba de publicar métodos para medir a eficiência de cinco SPDs, incluindo um feito no NIST, como um prelúdio para a oferta de um serviço oficial de calibração.

"Este é o primeiro passo para a implementação de um padrão quântico - produzimos uma ferramenta para verificar um futuro padrão de detecção de fóton único, "O físico do NIST Thomas Gerrits disse." Não há um padrão agora, mas muitos institutos nacionais de metrologia, incluindo NIST, estão trabalhando nisso. "

"Já houve artigos em periódicos sobre este assunto antes, mas fizemos análises de incerteza aprofundadas e descrevemos em grande detalhe como fizemos os testes, "Gerrits disse." O objetivo é servir como uma referência para o nosso serviço de calibração planejado. "

O NIST é o único qualificado para desenvolver esses métodos de avaliação porque o instituto faz os SPDs mais eficientes do mundo e está constantemente melhorando seu desempenho. O NIST é especializado em dois projetos supercondutores - um baseado em nanofios ou nano-tiras, avaliado no novo estudo, e sensores de transição, a ser estudado em um futuro próximo. Trabalhos futuros também podem abordar padrões para detectores que medem níveis de luz muito baixos, mas não podem contar o número de fótons.

No sistema métrico moderno, conhecido como o SI, a unidade básica de medida que está mais intimamente relacionada à detecção de fótons é a candela, que é relevante para a luz detectada pelo olho humano. Futuras redefinições de SI podem incluir padrões de contagem de fótons, o que poderia oferecer uma maneira mais precisa de medir a luz em termos de candela. Os níveis de luz de um único fóton são menos de um bilionésimo dos valores dos padrões atuais.

O novo artigo detalha o uso de tecnologias convencionais pelo NIST para medir a eficiência de detecção de SPD, definido como a probabilidade de detectar um fóton atingindo o detector e produzindo um resultado mensurável. A equipe do NIST garantiu que as medições são rastreáveis ​​a um padrão primário para medidores de potência óptica (NIST's Laser Optimized Cryogenic Radiometer). Os medidores mantêm a precisão à medida que as medições são reduzidas para níveis baixos de luz, com a incerteza geral da medição principalmente devido à calibração do medidor de energia.

Os pesquisadores mediram a eficiência de cinco detectores, incluindo três fotodiodos de contagem de fótons de silício e detector de nanofios do NIST. Os fótons foram enviados por fibra óptica para algumas medições e pelo ar em outros casos. As medições foram feitas para dois comprimentos de onda diferentes de luz comumente usados ​​em fibra óptica e comunicações. As incertezas variaram de um mínimo de 0,70% para medições em fibra em um comprimento de onda de 1533,6 nanômetros (nm) a 1,78% para leituras aéreas a 851,7 nm.