Desbloqueando a precisão quântica:tiras supercondutoras expandidas para maior precisão na contagem de fótons
Detector supercondutor de resolução de número de fótons de microfita. Crédito:Kong (SIMIT). O uso de fótons únicos como qubits tornou-se uma estratégia proeminente na tecnologia da informação quântica. Determinar com precisão o número de fótons é crucial em vários sistemas quânticos, incluindo computação quântica, comunicação quântica e metrologia quântica.
Os detectores de resolução de número de fótons (PNRDs) desempenham um papel vital para alcançar essa precisão e têm dois indicadores principais de desempenho:fidelidade de resolução, que mede a probabilidade de registrar com precisão o número de fótons incidentes, e faixa dinâmica, que descreve o fóton máximo resolvível. número.
Os detectores de fóton único de nanofita supercondutora (SNSPDs) são considerados a tecnologia líder para detecção de fóton único. Eles oferecem eficiência quase perfeita e desempenho de alta velocidade.
No entanto, em relação à resolução do número de fótons, os PNRDs baseados em SNSPD têm lutado para encontrar um equilíbrio entre fidelidade e faixa dinâmica. Os SNSPDs existentes em estilo array, que dividem os fótons incidentes entre um número limitado de pixels, enfrentam restrições de fidelidade. Esses detectores são, portanto, chamados de quase-PNRDs.
Os SNSPDs operam quebrando a supercondutividade local de uma faixa estreita, resfriada e polarizada por corrente quando um fóton é absorvido. Isto cria uma região resistiva local chamada hotspot, e a corrente resultante é desviada através de um resistor de carga, gerando um pulso de tensão detectável.
Portanto, um SNSPD com uma faixa supercondutora suficientemente longa pode ser visto como uma cascata de milhares de elementos, e n-fótons ativando simultaneamente diferentes elementos devem gerar n pontos de acesso não sobrepostos. No entanto, os SNSPDs convencionais combinados com leituras criogênicas modificadas só podem resolver números de 3-4 fótons, resultando em uma faixa dinâmica baixa. Resolução do número de fótons em um SMSPD:(a) Histogramas (pontos) e ajuste gaussiano (linhas) do tempo de borda ascendente dos pulsos de resposta sob iluminação laser pulsada com um número médio efetivo de fótons em 2,5 e 5,1. As áreas coloridas representam as funções gaussianas decompostas. (b) Matriz de confusão ilustrando as probabilidades de atribuir n fótons detectados a m fótons relatados, onde os termos diagonais representam a fidelidade da leitura do número de fótons. (c) Estatísticas de contagem de fótons reconstruídas a partir das distribuições do tempo de borda ascendente do pulso em diferentes números médios efetivos de fótons variando de 0,05 a 5. As estatísticas de contagem de fótons medidas (barras coloridas) alinham-se estreitamente com as estatísticas de Poisson da fonte coerente (linhas tracejadas ). Crédito:Kong, Zhang, et al., doi 10.1117/1.AP.6.1.016004, Conforme relatado em Fotônica Avançada , pesquisadores do Instituto de Microssistemas e Tecnologia da Informação de Xangai (SIMIT), da Academia Chinesa de Ciências, fizeram progressos no aprimoramento da capacidade de resolução de números de fótons dos SNSPDs.
Ao aumentar a largura da tira ou a indutância total, eles conseguiram superar as limitações de largura de banda e o tremor de tempo na eletrônica de leitura. Isso resultou em bordas ascendentes esticadas e melhor relação sinal-ruído nos pulsos de resposta e, portanto, maior fidelidade de leitura.
Ao ampliar a faixa supercondutora para uma escala micrométrica, os pesquisadores apresentaram a primeira observação da resolução do número de fótons verdadeiros de até 10 usando o detector de fóton único de microfita supercondutora (SMSPD). Surpreendentemente, eles alcançaram estes resultados mesmo sem o uso de amplificadores criogênicos. A fidelidade da leitura atingiu impressionantes 98% para eventos de 4 fótons e 90% para eventos de 6 fótons.
Além disso, os pesquisadores propuseram uma configuração de temporização de canal duplo para permitir a leitura do número de fótons em tempo real. Esta abordagem reduziu significativamente os requisitos de aquisição de dados em três ordens de grandeza e simplificou a configuração da leitura. Eles também demonstraram a utilidade de seu sistema em tecnologia de informação quântica, criando um gerador quântico de números aleatórios baseado na amostragem da paridade de um estado coerente.
Essa tecnologia garante imparcialidade, robustez contra imperfeições experimentais e ruídos ambientais e resistência à escuta clandestina.
Esta pesquisa representa um avanço significativo no campo dos PNRDs. Com melhorias adicionais na eficiência de detecção de SMSPDs, esta tecnologia poderá se tornar prontamente acessível para várias aplicações de informação quântica óptica. Esses resultados destacam o potencial dos SNSPDs ou SMSPDs para alcançar resolução de número de fótons de alta fidelidade e grande faixa dinâmica.
Mais informações: Ling-Dong Kong et al, Detector de fótons de microfita supercondutor de grande indutância que permite resolução de 10 números de fótons, Fotônica Avançada (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.1.016004 Informações do diário: Fotônica Avançada
