NIST-wetenschappers hebben een wereldrecord behaald in het detecteren van de intensiteit van een ultrazwakke lichtbron, gelijk aan de mogelijkheden van de deep-space-instrumenten op de Hubble-ruimtetelescoop, maar 100 keer sneller en met gelijkwaardige nauwkeurigheid.

Ze deden dit tijdens de ontwikkeling van een "universele kwantumbus" - een nieuw systeem om fotonische verbindingen mogelijk te maken tussen ongelijksoortige componenten van een kwantumcomputer, die elk kunnen werken op een heel ander en smal bereik van fotonfrequentie. Het nieuwe signaalconversieschema "biedt een kwantumverbinding tussen verschillende materiële systemen die op verschillende frequenties werken, " zegt Ivan Burenkov, eerste auteur in een nieuw rapport van een team van NIST's Physical Measurement Laboratory, onlangs gepubliceerd in: Optica Express .

Conventionele computers beheren gegevens op meerdere manieren in verschillende materialen:ze verwerken informatie als elektrische ladingen in siliciumchips (kleine transistors in geïntegreerde schakelingen), bewaar het in magnetische vorm op harde schijven, en breng het over als fotonen over glasvezellijnen. evenzo, quantumcircuits moeten mogelijk informatie overbrengen via fotonen tussen quantum dots, ensembles van atomen, gevangen ionen, of andere materiaalsystemen.

Het probleem is dat elk van die componenten reageert op zeer verschillende lichtfrequenties. Een signaal geproduceerd door één component, zoals een kwantumpunt, moet mogelijk worden overgebracht naar een gevangen ion dat alleen gevoelig is voor fotonen met een veel hogere frequentie dan het oorspronkelijke puntsignaal. Om die kloof te overbruggen is een frequentieomvormer nodig die de kwetsbare kwantumtoestanden van de signaalfotonen kan behouden zonder ruis toe te voegen.

Bij het nastreven van dat doel, de onderzoekers gebruikten een optische techniek genaamd "up-conversion" waarin een relatief laagenergetisch foton - het ingangssignaal - wordt gecombineerd met een "pomp" lichtstraal en vervolgens door een speciaal "niet-lineair" kristal wordt geleid. Bij het passeren van het kristal, de energieën van zowel de ingang als de pomp worden samengevoegd, het produceren van een enkel uitgangsfoton met een hogere frequentie en dus hogere energie. (Dat is de "up" in up-conversie.)

Een hardnekkig probleem met de techniek is dat de pompstraal zoveel kracht kan bevatten dat wanneer deze het kristal raakt, deze een grote hoeveelheid "ruis" genereert in de vorm van ongewenste fotonen die de delicate kwantumtoestanden kunnen overspoelen.

"We hebben dat probleem opgelost toen we ontdekten dat de scheiding tussen pompfrequentie en signaalfrequentie vrij groot moest zijn om een ​​relatief geruisloze up-converter te krijgen, ' zegt Burenkov.

Het projectteam gebruikte een pompstraal van continue, krachtig licht bij een standaard telecomgolflengte van 1550 nanometer (nm, miljardsten van een meter), en samengevoegd met ingangsfotonen op een nabij-infrarode golflengte van 920 nm. Het omhooggeconverteerde uitgangsfoton was zichtbaar geel met een golflengte van 577 nm. De brede scheiding tussen die golflengten verminderde de achtergrondemissie aanzienlijk.

Maar dat liet nog steeds de enorme moeilijkheid over om de resterende, buitengewoon klein, achtergrond. De onderzoekers ontdekten dat hun upconverter achtergrondfotonen produceert met een snelheid van ongeveer 100 per uur. Dat komt qua schaal overeen met het zwakke licht dat afkomstig is van de zwakste verre astronomische objecten.

Het opvangen en karakteriseren van dergelijk zwak licht vereist een buitengewoon gevoelige fotondetector. Het team gebruikte een apparaat, ontwikkeld bij NIST's Boulder, kleur, campus, een overgangsrandsensor (TES) genoemd. Het wordt bediend bij 0,1 kelvin boven het absolute nulpunt, en bevat een dun laagje supergeleidend materiaal waar een kleine stroom doorheen loopt. Als een foton de streng raakt, het verhoogt kort de temperatuur, veroorzaakt een piek in elektrische weerstand en een overeenkomstige stroomdaling die wordt geregistreerd als een golfvorm. Verschillende golflengten produceren golfvormen die merkbaar anders zijn, en dat verschil kan worden gebruikt om ruis te onderscheiden. De NIST-wetenschappers waren in staat om de TES te kalibreren door te bepalen welke golfvormen werden geassocieerd met verschillende achtergrondfotongolflengten.

Zelfs dat, echter, was niet voldoende om de achtergrond volledig te karakteriseren omdat TES-detectoren, zoals alle ontwerpen met enkelvoudige fotonsensoren, zijn onderhevig aan een aanhoudende bron van fouten die een "donkere telling" wordt genoemd - een signaal dat wordt opgenomen wanneer er geen foton aanwezig is, door willekeurige thermische of andere effecten in de detector.

Dankzij het ontwerp van de converter van het team kan de detector worden gebruikt op een manier die resulteert in een sterk verminderde donkere telling. Omdat de hoge energie, up-converted output fotonen registreren als grotere pieken in de detector dan de meeste donkere tellingen met lage energie, het is mogelijk om het detectorsysteem zo in te stellen dat het alle signalen wegfiltert die onder een bepaalde energiedrempel vallen. Op die manier worden veel valse signalen weggegooid voordat ze worden geteld. Maar het bleef zoeken naar een manier om de resterende donkere tellingen te onderscheiden van achtergrondfotonen.

Om dat te bereiken, de wetenschappers noteerden 10, 000 golfvormen van opgeconverteerde fotonen, evenals golfvormen van alleen achtergrondgeluid en golfvormen van alleen donkere tellingen. Ze ontdekten dat zowel de achtergrondfotonen als de donkere tellingen golfvormen hadden die duidelijk anders waren in amplitude en vorm dan de omhoog geconverteerde uitgangsfotonen, en het detectorsysteem afgesteld om beide te weigeren.

Het resultaat was een duizendvoudige afname van de donkere telsnelheid, waardoor het team in een fractie van de tijd die voorheen nodig was, metingen bij zwak licht kon uitvoeren met een record-absolute nauwkeurigheid.

"Op de Hubble-ruimtetelescoop, ze verzamelen een paar maanden lang gegevens over extreem zwakke objecten in de diepe ruimte, ", zegt co-auteur Sergey Polyakov. "We verzamelen vergelijkbare gegevens voor minder dan 24 uur, maar met gelijke of zelfs betere nauwkeurigheid."

Het up-conversieschema kan worden gebruikt voor verschillende golflengten met de juiste aanpassingen. Eventueel, Burenkov zegt, het zou een universele kwantumbus kunnen worden.