Pesquisadores do Instituto Nacional de Tecnologia de Informação e Comunicação inventaram uma nova estrutura em um detector de fótons de faixa supercondutora que permite a detecção de fótons altamente eficiente mesmo com uma faixa larga, e conseguiram desenvolver o primeiro detector supercondutor de fótons de faixa larga (SWSPD).

A largura da tira do detector é 200 vezes maior do que a dos detectores de fótons supercondutores NanoStrip convencionais (SNSPDs). Esta tecnologia pode ajudar a resolver os problemas de baixa produtividade e dependência de polarização que existem nos SNSPDs convencionais. Espera-se que o novo SWSPD seja aplicado em várias tecnologias avançadas, tais como comunicação de informação quântica e computadores quânticos, permitindo a implementação social precoce destas tecnologias avançadas.

O trabalho está publicado na revista Optica Quantum .

A tecnologia de detecção de fótons é uma tecnologia central estratégica para trazer inovação em uma ampla gama de campos de tecnologia avançada, incluindo comunicação de informação quântica e computação quântica, que estão atualmente passando por intensa pesquisa e desenvolvimento em escala global, e também observação fluorescente de células vivas, comunicação óptica no espaço profundo, detecção de laser e muito mais.

A equipe de pesquisa do NICT desenvolveu um SNSPD com largura de faixa de 100 nm ou menos. Eles alcançaram com sucesso um alto desempenho, superando outros detectores de fótons, e demonstraram sua utilidade aplicando-o à tecnologia de comunicação de informação quântica. No entanto, a fabricação de SNSPDs requer a formação de estruturas de nanofitas utilizando tecnologia avançada de nanofabricação, o que causa variações no desempenho do detector e dificulta a melhoria da produtividade. Além disso, a presença de dependência de polarização devido à estrutura sinuosa da nanofita supercondutora também limitou a faixa de aplicação como detector de fótons.

Neste trabalho, o NICT inventou uma nova estrutura chamada "estrutura de banco de corrente crítica alta (HCCB)" que permite a detecção de fótons altamente eficiente mesmo se a largura da tira for ampliada no detector de fótons de tira supercondutora, e conseguiu desenvolver um SWSPD com uma largura de 20 micrômetros – mais de 200 vezes mais largo que o detector de fótons de nanofita convencional – e alcançou operação de alto desempenho pela primeira vez no mundo.

O tipo de nanofita desenvolvido pelo NICT exigia a formação de nanofitas supercondutoras extremamente longas, com largura de tira de 100 nm ou menos, em formato sinuoso. O tipo de faixa larga agora pode ser formado com apenas uma única faixa supercondutora reta e curta.

Este SWSPD não requer tecnologia de nanofabricação e pode ser fabricado por tecnologia de fotolitografia de uso geral altamente produtiva. Além disso, como a largura da tira é maior que o ponto de luz incidente irradiado da fibra óptica, é possível eliminar a dependência da polarização observada no detector do tipo nanofita.

Como resultado da avaliação de desempenho deste detector, a eficiência de detecção na banda de comprimento de onda de telecomunicações (λ =1.550 nm) mediu 78%, o que é comparável aos 81% do tipo nanostrip. Além disso, o jitter de temporização apresentou melhores valores numéricos que o tipo nanostrip.

Essa conquista permite a fabricação de detectores de fótons com maior produtividade e desempenho e recursos superiores em comparação ao tipo nanostrip, que se posicionou como uma tecnologia de detecção de fótons indispensável em campos de tecnologia avançada, como a comunicação de informação quântica. Espera-se que tal tecnologia seja aplicada a várias tecnologias de comunicação de informação quântica e seja uma tecnologia básica importante para a realização de computadores quânticos em rede promovidos no JST Moonshot Goal 6.

No futuro, a equipa irá explorar ainda mais a estrutura do HCCB no SWSPD, para detectar fotões com elevada eficiência não só na banda de comprimentos de onda das telecomunicações, mas também numa ampla banda de comprimentos de onda do visível ao infravermelho médio. Além disso, eles também tentarão expandir ainda mais o tamanho da área de recepção de fótons para expandir as aplicações, como tecnologia de comunicação óptica no espaço profundo, detecção de laser, observação de células vivas e muito mais.

Mais informações: Masahiro Yabuno et al, Detector supercondutor de fótons de faixa larga com estrutura de banco de corrente crítica alta, Optica Quantum (2023). DOI:10.1364/OPTICAQ.497675
Fornecido pelo Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação (NICT)