Da quando il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha costruito i suoi primi dispositivi superconduttori per il conteggio dei fotoni (le più piccole unità di luce) negli anni '90, questi rivelatori un tempo rari sono diventati strumenti di ricerca popolari in tutto il mondo. Ora, Il NIST ha compiuto un passo verso l'abilitazione di standard universali per questi dispositivi, che stanno diventando sempre più importanti nella scienza e nell'industria.

I rivelatori a fotone singolo (SPD) sono ora fondamentali per aree di ricerca che vanno dalle comunicazioni ottiche e dall'astrofisica alle tecnologie dell'informazione all'avanguardia basate sulla fisica quantistica, come la crittografia quantistica e il teletrasporto quantistico.

Per garantire la loro precisione e affidabilità, Gli SPD devono essere valutati e confrontati con alcuni benchmark, idealmente uno standard formale. I ricercatori del NIST stanno sviluppando metodi per farlo e hanno già iniziato a eseguire calibrazioni personalizzate per la manciata di aziende che producono SPD.

Il team del NIST ha appena pubblicato metodi per misurare l'efficienza di cinque SPD, incluso uno realizzato al NIST, come preludio all'offerta di un servizio di calibrazione ufficiale.

"Questo è un primo passo verso l'implementazione di uno standard quantistico:abbiamo prodotto uno strumento per verificare un futuro standard di rilevamento del singolo fotone, "Il fisico del NIST Thomas Gerrits ha detto. "Non esiste uno standard in questo momento, ma molti istituti nazionali di metrologia, compreso il NIST, stanno lavorando su questo».

"Ci sono stati articoli di giornale su questo argomento prima, ma abbiamo fatto analisi approfondite dell'incertezza e descritto in modo molto dettagliato come abbiamo fatto i test, " Gerrits ha detto. "L'obiettivo è quello di fungere da riferimento per il nostro servizio di calibrazione pianificato".

Il NIST è qualificato in modo univoco per sviluppare questi metodi di valutazione perché l'istituto produce gli SPD più efficienti al mondo e ne migliora costantemente le prestazioni. Il NIST è specializzato in due design superconduttori:uno basato su nanofili o nanostrisce, valutata nel nuovo studio, e sensori del bordo di transizione, da studiare in un prossimo futuro. Il lavoro futuro potrebbe anche riguardare gli standard per i rivelatori che misurano livelli di luce molto bassi ma non possono contare il numero di fotoni.

Nel moderno sistema metrico decimale, noto come SI, l'unità di misura di base più strettamente correlata al rilevamento dei fotoni è la candela, che è rilevante per la luce rilevata dall'occhio umano. Le future ridefinizioni del SI potrebbero includere standard di conteggio dei fotoni, che potrebbe offrire un modo più accurato di misurare la luce in termini di candela. I livelli di luce del singolo fotone sono meno di un miliardesimo degli importi negli standard attuali.

Il nuovo documento descrive in dettaglio l'uso da parte del NIST di tecnologie convenzionali per misurare l'efficienza di rilevamento degli SPD, definita come la probabilità di rilevare un fotone che colpisce il rivelatore e produce un risultato misurabile. Il team del NIST si è assicurato che le misurazioni fossero riconducibili a uno standard primario per i misuratori di potenza ottici (il radiometro criogenico ottimizzato al laser del NIST). I misuratori mantengono la precisione poiché le misurazioni vengono ridimensionate a livelli di scarsa illuminazione, con l'incertezza di misura complessiva dovuta principalmente alla calibrazione del misuratore di potenza.

I ricercatori hanno misurato l'efficienza di cinque rilevatori, inclusi tre fotodiodi per il conteggio dei fotoni al silicio e il rilevatore di nanofili del NIST. I fotoni sono stati inviati tramite fibra ottica per alcune misurazioni e attraverso l'aria in altri casi. Sono state effettuate misurazioni per due diverse lunghezze d'onda della luce comunemente utilizzate nelle fibre ottiche e nelle comunicazioni. Le incertezze andavano da un minimo dello 0,70% per le misurazioni in fibra a una lunghezza d'onda di 1533,6 nanometri (nm) all'1,78% per le letture via etere a 851,7 nm.