Ingenieurs hebben aangetoond dat een veelgebruikte methode voor het detecteren van enkele fotonen ook de aanwezigheid van ten minste vier fotonen tegelijk kan tellen. De onderzoekers zeggen dat deze ontdekking nieuwe mogelijkheden zal ontsluiten in natuurkundige laboratoria die werken in de kwantuminformatiewetenschap over de hele wereld. terwijl het gemakkelijkere paden biedt voor het ontwikkelen van op kwantum gebaseerde technologieën.

De studie was een samenwerking tussen Duke University, de Ohio State University en industriepartner Quantum Opus, en verscheen op 14 december online in het tijdschrift optiek .

"Experts in het veld probeerden dit meer dan tien jaar geleden te doen, maar hun back-of-the-envelop berekeningen concludeerden dat het onmogelijk zou zijn, " zei Daniël Gauthier, een professor in de natuurkunde aan de staat Ohio, die vroeger de voorzitter van de natuurkunde was aan Duke. "Ze gingen andere dingen doen en hebben het nooit opnieuw bekeken. Ze hadden het in hun hoofd dat het niet mogelijk was en dat het niet de moeite waard was om er tijd aan te besteden."

"Toen we onze gegevens presenteerden, wereldexperts waren gewoon weggeblazen, " vervolgde Jungsang Kim, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke. "Het is fijn om een ​​groep als de onze te hebben die wat later is begonnen, besluit iets te proberen omdat we geen oogkleppen op hadden."

De ontdekking heeft betrekking op een nieuwe methode voor het gebruik van een fotondetector, een supergeleidende nanodraad-single-fotondetector (SNPD).

In het hart van de detector bevindt zich een supergeleidende gloeidraad. Een supergeleider is een speciaal materiaal dat bij lage temperaturen voor altijd een elektrische stroom kan voeren zonder verliezen. Maar net als een normaal stuk koperdraad, een supergeleider kan maar zoveel elektriciteit tegelijk vervoeren.

Een SNSPD werkt door een lusvormig segment van supergeleidende draad op te laden met een elektrische stroom die dicht bij de maximale limiet ligt. Als een foton voorbij komt, het zorgt ervoor dat die maximale limiet in een klein deel van de draad daalt, waardoor een kort verlies van supergeleiding ontstaat. dat verlies, beurtelings, veroorzaakt een elektrisch signaal om de aanwezigheid van het foton te markeren.

In de nieuwe opstelling is de onderzoekers besteden speciale aandacht aan de specifieke vorm van de initiële piek in het elektrische signaal, en laten zien dat ze genoeg details kunnen krijgen om ten minste vier fotonen die samen in een pakket reizen correct te tellen.

"Foton-getal-resolutie is erg handig voor veel kwantuminformatie/communicatie en kwantumoptica-experimenten, maar het is geen gemakkelijke taak, " zei Clinton Cahall, een doctoraalstudent elektrotechniek aan Duke en eerste auteur van het artikel. "Geen van de commerciële opties is gebaseerd op supergeleiders, die de beste prestaties leveren. En terwijl andere laboratoria supergeleidende detectoren met dit vermogen hebben gebouwd, ze zijn zeldzaam en missen het gemak van onze installatie en de gevoeligheid ervan op belangrijke gebieden zoals telsnelheid of timingresolutie."

Voor andere laboratoria om gebruik te maken van de ontdekking, alles wat ze nodig hebben is een specifiek type versterker om het kleine elektrische signaal van de SNSPD te versterken. De versterker moet werken bij dezelfde lage temperaturen als de SNSPD - minus 452 graden Fahrenheit - om achtergrondruis te verminderen. Het moet ook een grote bandbreedte hebben om vervorming van het signaal te voorkomen. Dergelijke versterkers zijn al in de handel verkrijgbaar en veel laboratoria hebben ze.

De resultaten zullen onderzoekers over de hele wereld die in de kwantummechanica werken in staat stellen om onmiddellijk nieuwe vaardigheden te verwerven met hun bestaande apparatuur. Als een voorbeeld, de Duke-Ohio State-groep meldde onlangs ook hoe het gebruik van de timing van binnenkomende fotonen naast hun kwantumtoestanden de snelheid van kwantumversleutelingstechnieken aanzienlijk zou kunnen verhogen.

Het team werkt nu aan het optimaliseren van hun setup om te zien hoe ver ze hun mogelijkheden kunnen uitbreiden. Ze geloven met de juiste elektronica en een beetje oefening, ze konden 10 of zelfs 20 fotonen per keer tellen. De groep heeft ook een patent aangevraagd om kant-en-klare apparaten te maken op basis van hun methode.