I rivelatori a fotone singolo a nanofili superconduttori (SNSPD) sono significativamente migliori nell'efficienza di rilevamento dei fotoni (DE) rispetto alle loro controparti a semiconduttore, e hanno consentito molte applicazioni rivoluzionarie nelle tecnologie dell'informazione quantistica. Un team guidato dal Prof. Lixing You dello Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), L'Accademia cinese delle scienze (CAS) ha dimostrato la fabbricazione e il funzionamento di un NbN-SNSPD con un'efficienza di rilevamento del sistema superiore al 90% a 2,1 K a una lunghezza d'onda di 1550 nm, che apre la strada all'applicazione pratica di SNSPD.

I risultati sono stati pubblicati di recente su Scienza Cina Fisica, Meccanica e Astronomia come storia di copertina. Il Dr. Weijun Zhang è il primo autore e il Dr. Lixing You è l'autore corrispondente.

A 1550 nm, quale è la lunghezza d'onda più importante per le applicazioni, lo stato dell'arte SNSPD fatto di superconduttore WSi ha raggiunto un record DE del 93 percento, rispetto al rivelatore InGaAs con DE ~30 percento. Sfortunatamente, WSi-SNSPD di solito opera a temperature sub-kelvin, richiedendo costosi, apparecchiature di refrigerazione di facile utilizzo.

Sono stati compiuti ampi sforzi per lo sviluppo di SNSPD basati su NbN mirati a una temperatura di esercizio superiore a 2K, accessibile a criorefrigeratori compatti economici e di facile utilizzo. Con una ricerca decennale, l'efficienza di rilevamento di NbN-SNSPD è stata gradualmente aumentata a ~ 80 percento. Però, ulteriori miglioramenti si sono rivelati impegnativi. Raggiungere DE oltre il 90% richiede l'ottimizzazione simultanea di molti fattori, compreso un accoppiamento ottico quasi perfetto, assorbimento quasi perfetto, e l'efficienza quantistica intrinseca quasi unitaria. I precedenti tentativi per raggiungere questo obiettivo sono stati per lo più il risultato di un processo di tentativi ed errori.

Questo articolo riportava per la prima volta un sistema NbN-SNSPD basato su un criorefrigeratore GM con un'efficienza di rilevamento del sistema superiore al 90% (a una frequenza di conteggio scuro di 10 Hz) a 2,1 K a una lunghezza d'onda di 1550 nm. L'efficienza del dispositivo satura al 92 percento quando la temperatura viene abbassata a 1,8 K.

Il successo di questo dispositivo deriva da una cavità integrata del riflettore di Bragg distribuito (DBR) che offre un rilevamento vicino all'unità all'interfaccia, e attraverso l'ottimizzazione sistematica della geometria a meandri del nanofilo di NbN. Gli sforzi congiunti consentono ai ricercatori di raggiungere contemporaneamente i severi requisiti per l'accoppiamento, assorbimento ed efficienza quantica intrinseca. Inoltre, il dispositivo mostra jitter di temporizzazione fino a 79 ps, quasi la metà del WSi-SNSPD precedentemente riportato, promettendo ulteriori vantaggi nelle applicazioni che richiedono un'elevata precisione di temporizzazione. I dispositivi sono stati applicati agli esperimenti sulla frontiera dell'informazione quantistica presso l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina.

SNSPD con efficienza di rilevamento quasi unitaria operativa su un criorefrigeratore compatto economico e di facile utilizzo fornirà ai ricercatori un potente, strumento accessibile, e apre la strada a ulteriori scoperte nella tecnologia dell'informazione quantistica, come il calcolo/simulazione quantistica ottica e la distribuzione delle chiavi quantistiche.