Gli ingegneri hanno dimostrato che un metodo ampiamente utilizzato per rilevare singoli fotoni può anche contare la presenza di almeno quattro fotoni alla volta. I ricercatori affermano che questa scoperta sbloccherà nuove capacità nei laboratori di fisica che lavorano nella scienza dell'informazione quantistica in tutto il mondo, fornendo allo stesso tempo percorsi più semplici per lo sviluppo di tecnologie basate sui quanti.

Lo studio è stato una collaborazione tra la Duke University, la Ohio State University e il partner industriale Quantum Opus, ed è apparso online il 14 dicembre sulla rivista ottica .

"Gli esperti del settore stavano cercando di farlo più di un decennio fa, ma i loro calcoli retrospettivi concludevano che sarebbe stato impossibile, " ha detto Daniel Gauthier, un professore di fisica all'Ohio State, che in precedenza era la cattedra di fisica alla Duke. "Hanno continuato a fare cose diverse e non l'hanno mai rivisitato. Avevano bloccato nella loro mente che non era possibile e che non valeva la pena spendere tempo".

"Quando abbiamo presentato i nostri dati, gli esperti mondiali sono stati semplicemente spazzati via, "continuò Jungsang Kim, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "È bello avere un gruppo come il nostro che ha iniziato un po' più tardi a decidere di provare qualcosa perché non avevamo i paraocchi".

La scoperta riguarda un nuovo metodo per l'utilizzo di un rivelatore di fotoni chiamato rivelatore a fotone singolo a nanofili superconduttori (SNSPD).

Al centro del rivelatore c'è un filamento superconduttore. Un superconduttore è un materiale speciale in grado di trasportare una corrente elettrica per sempre senza perdite a basse temperature. Ma proprio come un normale pezzo di filo di rame, un superconduttore può trasportare solo tanta elettricità in una volta.

Un SNSPD funziona caricando un segmento ad anello di filo superconduttore con una corrente elettrica vicina al suo limite massimo. Quando passa un fotone, fa cadere quel limite massimo in una piccola porzione del filo, creando una breve perdita di superconduttività. quella perdita, a sua volta, fa sì che un segnale elettrico segnali la presenza del fotone.

Nella nuova configurazione, i ricercatori prestano particolare attenzione alla forma specifica del picco iniziale nel segnale elettrico, e mostrano che possono ottenere dettagli sufficienti per contare correttamente almeno quattro fotoni che viaggiano insieme in un pacchetto.

"La risoluzione del numero di fotoni è molto utile per molti esperimenti di informazione/comunicazione quantistica e di ottica quantistica, ma non è un compito facile, "ha detto Clinton Cahall, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica alla Duke e primo autore dell'articolo. "Nessuna delle opzioni commerciali si basa su superconduttori, che garantiscono le migliori prestazioni. E mentre altri laboratori hanno costruito rivelatori superconduttori con questa capacità, sono rari e mancano della facilità della nostra configurazione e della sua sensibilità in aree importanti come la velocità di conteggio o la risoluzione temporale."

Affinché altri laboratori possano utilizzare la scoperta, tutto ciò di cui avrebbero bisogno è un tipo specifico di amplificatore per aumentare il minuscolo segnale elettrico dell'SNSPD. L'amplificatore deve funzionare alle stesse basse temperature dell'SNSPD, meno 452 gradi Fahrenheit, per ridurre il rumore di fondo. Inoltre deve avere un'ampia larghezza di banda per evitare distorsioni del segnale. Tali amplificatori sono già disponibili in commercio e molti laboratori li hanno.

I risultati consentiranno ai ricercatori di tutto il mondo che lavorano nella meccanica quantistica di acquisire immediatamente nuove abilità con le loro apparecchiature esistenti. Come un esempio, il gruppo Duke-Ohio State ha anche recentemente riferito come l'utilizzo della tempistica dei fotoni in entrata oltre ai loro stati quantistici potrebbe aumentare notevolmente la velocità delle tecniche di crittografia quantistica.

Il team sta ora lavorando per ottimizzare la propria configurazione per vedere fino a che punto possono estendere le sue capacità. Credono che con l'elettronica giusta e un po' di pratica, potevano contare 10 o anche 20 fotoni alla volta. Il gruppo ha anche depositato un brevetto per creare dispositivi standard basati sul loro metodo.