Sinds het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de jaren negentig zijn eerste supergeleidende apparaten bouwde voor het tellen van fotonen (de kleinste eenheden van licht), deze eens zeldzame detectoren zijn over de hele wereld populaire onderzoeksinstrumenten geworden. Nutsvoorzieningen, NIST heeft een stap gezet in de richting van universele standaarden voor deze apparaten, die in de wetenschap en de industrie steeds belangrijker worden.

Single-photon detectors (SPD's) zijn nu de sleutel tot onderzoeksgebieden variërend van optische communicatie en astrofysica tot geavanceerde informatietechnologieën op basis van kwantumfysica, zoals kwantumcryptografie en kwantumteleportatie.

Om hun nauwkeurigheid en betrouwbaarheid te garanderen, EPD's moeten worden geëvalueerd en vergeleken met een bepaalde benchmark, idealiter een formele standaard. NIST-onderzoekers ontwikkelen methoden om dat te doen en zijn al begonnen met het uitvoeren van aangepaste kalibraties voor de handvol bedrijven die SPD's maken.

Het NIST-team heeft zojuist methoden gepubliceerd voor het meten van de efficiëntie van vijf SPD's, waaronder een gemaakt bij NIST, als opmaat voor het aanbieden van een officiële kalibratieservice.

"Dit is een eerste stap op weg naar de implementatie van een kwantumstandaard - we hebben een hulpmiddel ontwikkeld om een ​​toekomstige detectiestandaard voor één foton te verifiëren, "NIST-natuurkundige Thomas Gerrits zei. "Er is momenteel geen standaard, maar veel nationale metrologische instituten, inclusief NIST, werken hieraan."

"Er zijn al eerder tijdschriftartikelen over dit onderwerp geweest, maar we hebben diepgaande onzekerheidsanalyses gedaan en gedetailleerd beschreven hoe we de tests hebben uitgevoerd, "Het doel is om als referentie te dienen voor onze geplande kalibratieservice", aldus Gerrits.

NIST is bij uitstek gekwalificeerd om deze evaluatiemethoden te ontwikkelen, omdat het instituut de meest efficiënte SPD's ter wereld maakt en hun prestaties voortdurend verbetert. NIST is gespecialiseerd in twee supergeleidende ontwerpen:een gebaseerd op nanodraden of nanostrips, geëvalueerd in de nieuwe studie, en overgangsrandsensoren, in de nabije toekomst te bestuderen. Toekomstig werk kan ook betrekking hebben op normen voor detectoren die zeer lage lichtniveaus meten, maar het aantal fotonen niet kunnen tellen.

In het moderne metrieke stelsel, bekend als de SI, de basiseenheid die het meest verwant is aan fotondetectie is de candela, die relevant is voor licht dat door het menselijk oog wordt gedetecteerd. Toekomstige herdefinities van SI kunnen standaarden voor het tellen van fotonen omvatten, die een nauwkeurigere manier zou kunnen bieden om licht te meten in termen van de candela. De lichtniveaus van één foton zijn minder dan een miljardste van de hoeveelheden in de huidige normen.

Het nieuwe document beschrijft het gebruik van conventionele technologieën door NIST om de efficiëntie van SPD-detectie te meten, gedefinieerd als de kans dat een foton de detector raakt en een meetbaar resultaat oplevert. Het NIST-team zorgde ervoor dat de metingen herleidbaar zijn tot een primaire standaard voor optische vermogensmeters (NIST's Laser Optimized Cryogenic Radiometer). De meters behouden de nauwkeurigheid omdat de metingen worden verkleind tot lage lichtniveaus, met de algehele meetonzekerheid voornamelijk te wijten aan de kalibratie van de vermogensmeter.

De onderzoekers maten de efficiëntie van vijf detectoren, inclusief drie silicium foton-tellende fotodiodes en NIST's nanodraaddetector. Fotonen werden voor sommige metingen door optische vezels gestuurd en in andere gevallen door de lucht. Er werden metingen gedaan voor twee verschillende golflengten van licht die vaak worden gebruikt in glasvezel en communicatie. Onzekerheden varieerden van een dieptepunt van 0,70% voor metingen in vezels bij een golflengte van 1533,6 nanometer (nm) tot 1,78% voor over-the-air metingen bij 851,7 nm.