Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Ontgrendeling van kwantumprecisie:uitgebreide supergeleidende strips voor verbeterde nauwkeurigheid van het tellen van fotonen

Supergeleidende microstrip-detector voor het oplossen van fotonennummers. Krediet:Kong (SIMIT).

Het gebruik van afzonderlijke fotonen als qubits is een prominente strategie geworden in de kwantuminformatietechnologie. Het nauwkeurig bepalen van het aantal fotonen is cruciaal in verschillende kwantumsystemen, waaronder kwantumberekeningen, kwantumcommunicatie en kwantummetrologie.



Photon-number-resolving detectors (PNRD's) spelen een cruciale rol bij het bereiken van deze nauwkeurigheid en hebben twee belangrijke prestatie-indicatoren:het oplossen van betrouwbaarheid, die de waarschijnlijkheid meet van het nauwkeurig registreren van het aantal invallende fotonen, en dynamisch bereik, dat het maximaal oplosbare foton beschrijft. nummer.

Supergeleidende nanostrip-single-photon-detectoren (SNSPD's) worden beschouwd als de toonaangevende technologie voor detectie van afzonderlijke fotonen. Ze bieden een vrijwel perfecte efficiëntie en snelle prestaties.

Wat de resolutie van het fotongetal betreft, hebben op SNSPD gebaseerde PNRD's echter moeite gehad om een ​​evenwicht te vinden tussen getrouwheid en dynamisch bereik. Bestaande SNSPD's in array-stijl, die invallende fotonen verdelen over een beperkt aantal pixels, worden geconfronteerd met beperkingen op het gebied van de betrouwbaarheid. Deze detectoren worden daarom quasi-PNRD's genoemd.

SNSPD's werken door de lokale supergeleiding van een smalle, gekoelde, stroomvoorgespannen strook te onderbreken wanneer een foton wordt geabsorbeerd. Hierdoor ontstaat een lokaal weerstandsgebied dat hotspot wordt genoemd en de resulterende stroom wordt omgeleid via een belastingsweerstand, waardoor een detecteerbare spanningspuls wordt gegenereerd.

Daarom kan een SNSPD met een voldoende lange supergeleidende strook worden gezien als een cascade van duizenden elementen, en n-foton die tegelijkertijd verschillende elementen activeert zou n moeten genereren niet-overlappende hotspots. Conventionele SNSPD's in combinatie met gemodificeerde cryogene uitlezingen kunnen echter slechts 3-4 fotongetallen bepalen, wat resulteert in een laag dynamisch bereik.

Resolutie van fotonengetallen in een SMSPD:(a) Histogrammen (punten) en Gaussiaanse aanpassing (lijnen) van de stijgende flanktijd van responspulsen onder gepulseerde laserverlichting met een effectief gemiddeld fotongetal van 2,5 en 5,1. Kleurgebieden vertegenwoordigen de ontlede Gaussische functies. (b) Verwarringsmatrix die de kansen illustreert van het toewijzen van n gedetecteerde fotonen aan m gerapporteerde fotonen, waarbij de diagonale termen de uitleesgetrouwheid van het fotonnummer vertegenwoordigen. (c) Statistieken voor het aantal fotonen gereconstrueerd uit de verdelingen van de stijgende flanktijd van de puls bij verschillende effectieve gemiddelde fotonengetallen variërend van 0,05 tot 5. De gemeten statistieken voor het aantal fotonen (kleurenbalken) komen nauw overeen met de Poisson-statistieken van de coherente bron (stippellijnen ). Credit:Kong, Zhang, et al., doi 10.1117/1.AP.6.1.016004,

Zoals gerapporteerd in Advanced Photonics hebben onderzoekers van het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), de Chinese Academie van Wetenschappen, vooruitgang geboekt bij het verbeteren van het fotongetal-oplossend vermogen van SNSPD's.

Door de stripbreedte of totale inductie te vergroten, waren ze in staat bandbreedtebeperkingen en timingjitter in uitleeselektronica te overwinnen. Dit resulteerde in verlengde stijgende flanken en een verbeterde signaal-ruisverhouding in de responspulsen, en dus in een verbeterde uitleesgetrouwheid.

Door de supergeleidende strip te verbreden tot op micrometerschaal hebben de onderzoekers de eerste waarneming gepresenteerd van een echte fotongetalresolutie tot 10 met behulp van de supergeleidende microstrip single-photon detector (SMSPD). Verrassend genoeg bereikten ze deze resultaten zelfs zonder het gebruik van cryogene versterkers. De uitleesnauwkeurigheid bereikte een indrukwekkende 98 procent voor gebeurtenissen met 4 fotonen en 90 procent voor gebeurtenissen met 6 fotonen.

Bovendien stelden de onderzoekers een tweekanaals timingopstelling voor om real-time uitlezing van fotonnummers mogelijk te maken. Deze aanpak verminderde de vereisten voor data-acquisitie aanzienlijk met drie ordes van grootte en vereenvoudigde de uitleesopstelling. Ze demonstreerden ook het nut van hun systeem in de kwantuminformatietechnologie door een kwantumgenerator voor willekeurige getallen te creëren, gebaseerd op het bemonsteren van de pariteit van een coherente toestand.

Deze technologie zorgt voor onbevooroordeeldheid, robuustheid tegen experimentele onvolkomenheden en omgevingsgeluid, en weerstand tegen afluisteren.

Dit onderzoek betekent een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van PNRD's. Met een verdere verbetering van de detectie-efficiëntie van SMSPD's zou deze technologie gemakkelijk toegankelijk kunnen worden voor verschillende optische kwantuminformatietoepassingen. Deze resultaten benadrukken het potentieel van SNSPD's of SMSPD's voor het bereiken van hifi en fotongetalresolutie met een groot dynamisch bereik.

Meer informatie: Ling-Dong Kong et al., Supergeleidende microstrip-fotondetector met grote inductie die een resolutie van 10 fotonengetallen mogelijk maakt, Geavanceerde fotonica (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.1.016004

Journaalinformatie: Geavanceerde fotonica

Geleverd door SPIE




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe de gecorrigeerde WBC-telling te berekenen
  2. Geen herten meer in de koplamp:onderzoek toont aan dat grote zoogdieren wel gebruik maken van wegkruisingsconstructies
  3. T. rex niet zo slim als eerder werd beweerd, vinden wetenschappers
  4. Ingenieurs ontwikkelen innovatieve softwaretools voor microbioomanalyse
  5. Hoe maak je een 3D-tandmodel voor een schoolproject
  6. Kleine opgerolde eiwitrollen die zichzelf in kooien assembleren
  7. Ethiek Research Paper Onderwerpen
  8. Wat veroorzaakt DNA-mutatie?
  9. Dode vissen en depressies aan de oevers van de Oder

Wetenschap