In high-end 21e-eeuwse communicatie, informatie reist in de vorm van een stroom lichtpulsen die typisch door glasvezelkabels reizen. Elke puls kan zo zwak zijn als een enkel foton, de kleinst mogelijke eenheid (kwantum) van licht. De snelheid waarmee dergelijke systemen kunnen werken, hangt in belangrijke mate af van hoe snel en hoe nauwkeurig detectoren aan de ontvangende kant die fotonen kunnen onderscheiden en verwerken.

Nu hebben wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) een methode bedacht die individuele fotonen 10 keer sneller kan detecteren dan de beste bestaande technologie. met lagere foutenpercentages, hogere detectie-efficiëntie, en minder lawaai.

"Terwijl klassieke communicatie en detectie razendsnel kunnen werken, kwantumsystemen, die die ultieme gevoeligheid nodig hebben voor de zwakste pulsen, zijn beperkt tot veel lagere snelheden, "Zei groepsleider Alan Migdall. "Het combineren van die ultieme gevoeligheid met het vermogen om het tellen van fotonen met hoge snelheden te bereiken, is een langdurige uitdaging geweest. Hier verleggen we beide prestatielimieten allemaal in hetzelfde apparaat."

De NIST-innovatie omvat een ingrijpend herontwerp van het elektronische besturingssysteem rond een werkpaarddetector, een Single Photon Avalanche Diode (SPAD) genaamd, waarbij een binnenkomend foton een kleine maar meetbare stroomstoot door een halfgeleider veroorzaakt. SPAD's worden niet alleen gebruikt in optische communicatie, maar ook in lidar (een hoogfrequente tegenhanger van radar) en andere vormen van 3D-beeldvorming, en in PET-scans, onder andere gebruik.

Over de halfgeleider wordt een spanning aangelegd. Als een foton de detector raakt, de geabsorbeerde energie schopt een elektron van een atoom in de halfgeleider af - hetzelfde foto-elektrische effect dat elektriciteit opwekt in zonnepanelen.

Dat losse elektron wordt versneld door de aangelegde spanning en veroorzaakt een soort kettingreactie waarbij grote aantallen aangrenzende atomen een "lawine" van elektronen vrijgeven, net zoals een kleine extra spanning ertoe kan leiden dat een hele berghelling met sneeuw instort. Die lawinestroom is het uitgangssignaal. Eindelijk, het apparaat wordt gereset door de stroom te doven met een tegenspanning en de aanvankelijk aangelegde spanning te herstellen. Omdat de lawine zo'n groot aantal elektronen omvat, het hele systeem terugbrengen naar een stille staat waarin het klaar is om een ​​ander foton te detecteren, is een uitdaging.

Een conventionele SPAD kan 1 miljoen tot 10 miljoen fotonen per seconde detecteren. Dat lijkt misschien snel, maar het is niet genoeg om te voldoen aan de zich ontwikkelende behoeften van moderne communicatie. Het tarief verhogen, echter, was problematisch vanwege de vele compromissen die ermee gemoeid waren.

Bijvoorbeeld, de dikte van de absorptielaag die het inkomende foton raakt, bepaalt hoe waarschijnlijk het is dat het apparaat dat inkomende foton opvangt:dikke absorbers (ongeveer 0,1 mm, ongeveer de breedte van een mensenhaar) hebben een grotere kans om fotonen te vangen vanwege hun grotere diepte; dunnere lagen hebben een grotere kans dat het foton er onopgemerkt doorheen gaat.

Maar hoe dikker de absorber, hoe hoger de aangelegde spanning moet zijn. En hogere spanningen kunnen grotere lawines veroorzaken - groot genoeg om het apparaat te oververhitten, het verminderen van de detectie-efficiëntie en het vergroten van het risico op valse "napulsen" waarin overgebleven elektronen die in de halfgeleider zijn gevangen een secundaire lawine veroorzaken nadat de SPAD is gereset.

Om napulsen te verminderen, het is noodzakelijk om het systeem in twee nanoseconden (miljardste van een seconde) of minder te resetten. Conventionele modules die de stroom detecteren en vervolgens de quench toepassen, kunnen niet zo snel werken, historisch beperkt de prestatie van dikabsorberende SPAD's tot ongeveer 10 miljoen tellingen per seconde of minder. Algemeen werd aangenomen dat dikke absorberende SPADS niet geschikt zijn voor hogere snelheden.

Om die problemen in een dikabsorberend apparaat te overwinnen, het NIST-team, dat zijn resultaten rapporteerde in Technische Natuurkunde Brieven -begon te experimenteren met een geavanceerd elektronicasysteem voor een in de handel verkrijgbare SPAD met dikke absorber.

Zoals veel van dergelijke systemen, de SPAD wordt herhaaldelijk "gated" uit en aan - dat wil zeggen, het wordt continu gereset door een aangelegde wisselspanning met een bepaalde frequentie. Als resultaat, de langste tijdsperiode waarin de SPAD een lawine kan produceren, is het poortinterval. "Typische poortfrequenties voor dit soort SPAD's zijn beperkt tot niet hoger dan 150 megahertz, " zei NIST-medewerker Michael Wayne, eerste auteur van het tijdschriftartikel. [1 MHz is een miljoen cycli per seconde.]

"Dat betekent dat de SPAD zes of zeven nanoseconden kan lawines Wayne zei. "Hoewel dit misschien niet lang lijkt, het is lang genoeg voor het apparaat om zowel volledig verzadigd te raken met lading - wat ongewenste napulsen verhoogt - als heet genoeg te worden bij hoge telsnelheden om de detectie-efficiëntie te verlagen. Doorgaan met een hogere frequentie - en dus de maximale duur van een lawine verkorten - zou beide effecten verminderen. Maar omdat de lawine niet zo lang mag groeien, het kan te klein worden om het 'lawaai' dat wordt veroorzaakt door het openen en sluiten van de poort te detecteren."

Om dat probleem op te lossen, het team ontwikkelde een methode die vergelijkbaar is met hoofdtelefoons met ruisonderdrukking:het toepassen van een radiofrequentiesignaal dat de ruis precies compenseert. Dat stelde hen in staat om de SPAD te laten werken met een miljard cycli per seconde (één gigahertz, GHz).

Aftrekken van het geluid, zei projectleider Joshua Bienfang, "We zijn in staat om extreem kleine lawines te onthullen. de hoge frequentie betekent dat de poort slechts 500 picoseconden open is. [Eén ps is een biljoenste van een seconde. 500 ps is een halve nanoseconde.] Dit resulteert in een vermindering van de gemiddelde lawinestroom met ongeveer een factor 500, het verlagen van zowel de afterpulsing als de zelfverhittingseffecten, en waardoor we kunnen tellen met snelheden tot 100 miljoen per seconde."

"Het nieuwe SPAD-ontwerp zou praktische toepassingen kunnen vinden in de toepassingen van kwantumcommunicatie en kwantumberekening, "Zei Migdall. "Beide bieden mogelijkheden die niet mogelijk zijn met conventionele communicatie en berekeningen. En beide toepassingen zouden baat hebben bij snellere, ruisarme enkelvoudige fotondetectoren."

"Dit nieuwe ontwerp zal waarschijnlijk invloed hebben op een aantal kwantumtoepassingen. Ze variëren van enkelvoudige fotondetectie, waar snellere telsnelheden en minder ruis de tijd voor bestaande metingen verminderen, naar het opkomende kwantuminternet, die kritisch vertrouwt op detectie van één foton voor kwantumcommunicatie en kwantumberekening. Van beide kan worden verwacht dat ze een zeer substantiële impact hebben op onze samenleving en economie."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.