Supergeleidende nanodraad-single-fotondetectoren (SNPD's) zijn aanzienlijk beter in fotondetectie-efficiëntie (DE) in vergelijking met hun halfgeleidende tegenhangers, en hebben veel baanbrekende toepassingen in kwantuminformatietechnologieën mogelijk gemaakt. Een team onder leiding van Prof. Lixing You van het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) hebben de fabricage en werking aangetoond van een NbN-SNPD met een systeemdetectie-efficiëntie van meer dan 90 procent bij 2,1 K bij een golflengte van 1550 nm, die de weg vrijmaakt voor praktische toepassing van SNSPD.

De resultaten zijn onlangs gepubliceerd op Wetenschap China Natuurkunde, Mechanica en astronomie als coverbeeldverhaal. Dr. Weijun Zhang is de eerste auteur en Dr. Lixing You is de corresponderende auteur.

Bij 1550 nm, wat de belangrijkste golflengte is voor toepassingen, de ultramoderne SNSPD gemaakt van WSi-supergeleider heeft een DE-record van 93 procent bereikt, vergeleken met InGaAs-detector met DE ~30 procent. Helaas, WSi-SNSPD werkt meestal bij temperaturen onder Kelvin, duur vereist, gebruiksonvriendelijke koelapparatuur.

Er zijn uitgebreide inspanningen geleverd voor de ontwikkeling van SNSPD's op basis van NbN gericht op een bedrijfstemperatuur boven 2K, toegankelijk voor goedkope en gebruiksvriendelijke compacte cryokoelers. Met een decennium onderzoek, de detectie-efficiëntie van NbN-SNSPD's werd geleidelijk verhoogd tot ~ 80 procent. Echter, verdere verbeteringen zijn uitdagend gebleken. Het behalen van DE boven 90 procent vereist de gelijktijdige optimalisatie van vele factoren, inclusief bijna perfecte optische koppeling, bijna perfecte absorptie, en bijna-eenheid intrinsieke kwantumefficiëntie. Eerdere pogingen om dit te bereiken zijn meestal het resultaat van een proces van vallen en opstaan.

Dit artikel rapporteerde voor het eerst een NbN-SNSPD-systeem op basis van een GM-cryokoeler met een systeemdetectie-efficiëntie van meer dan 90 procent (bij een donkere telsnelheid van 10 Hz) bij 2,1 K bij een golflengte van 1550 nm. De efficiëntie van het apparaat verzadigt tot 92 procent wanneer de temperatuur wordt verlaagd tot 1,8 K.

Het succes van dit apparaat is het resultaat van een geïntegreerde gedistribueerde Bragg-reflector (DBR) holte die bijna-eenheidsdetectie op de interface biedt, en door systematische optimalisatie van de meanderende geometrie van de NbN nanodraad. Door de gezamenlijke inspanningen kunnen onderzoekers tegelijkertijd voldoen aan de hoge eisen voor koppeling, absorptie en intrinsieke kwantumefficiëntie. Aanvullend, het apparaat vertoont timingjitters tot 79 ps, bijna de helft van de eerder gerapporteerde WSi-SNSPD, veelbelovende extra voordelen in toepassingen die een hoge timing precisie vereisen. De apparaten zijn toegepast op de quantum information frontier-experimenten aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China.

SNSPD met bijna-eenheidsdetectie-efficiëntie, operationeel op een economische en gebruiksvriendelijke compacte cryokoeler, biedt onderzoekers een krachtige, toegankelijk hulpmiddel, en maakt de weg vrij voor verdere doorbraken in kwantuminformatietechnologie, zoals optische kwantumberekening/simulatie en kwantumsleuteldistributie.