L’uso di singoli fotoni come qubit è diventata una strategia importante nella tecnologia dell’informazione quantistica. Determinare con precisione il numero di fotoni è fondamentale in vari sistemi quantistici, tra cui il calcolo quantistico, la comunicazione quantistica e la metrologia quantistica.
I rilevatori di risoluzione del numero di fotoni (PNRD) svolgono un ruolo fondamentale nel raggiungimento di questa precisione e hanno due principali indicatori di prestazione:la fedeltà di risoluzione, che misura la probabilità di registrare accuratamente il numero di fotoni incidenti, e la gamma dinamica, che descrive il massimo fotone risolvibile. numero.
I rilevatori di fotone singolo superconduttori su nanostriscia (SNSPD) sono considerati la tecnologia leader per il rilevamento di fotone singolo. Offrono efficienza quasi perfetta e prestazioni ad alta velocità.
Tuttavia, per quanto riguarda la risoluzione del numero di fotoni, i PNRD basati su SNSPD hanno faticato a trovare un equilibrio tra fedeltà e gamma dinamica. Gli SNSPD esistenti in stile array, che dividono i fotoni incidenti tra un numero limitato di pixel, devono affrontare vincoli di fedeltà. Questi rilevatori sono quindi indicati come quasi-PNRD.
Gli SNSPD funzionano rompendo la superconduttività locale di una striscia stretta, raffreddata e polarizzata dalla corrente quando un fotone viene assorbito. Ciò crea una regione resistiva locale chiamata hotspot e la corrente risultante viene deviata attraverso un resistore di carico, generando un impulso di tensione rilevabile.
Pertanto, un SNSPD con una striscia superconduttrice sufficientemente lunga può essere visto come una cascata di migliaia di elementi, e n-fotoni che attivano simultaneamente diversi elementi dovrebbero generare n hotspot non sovrapposti. Tuttavia, gli SNSPD convenzionali combinati con letture criogeniche modificate possono risolvere solo 3-4 numeri di fotoni, risultando in un intervallo dinamico basso.
Come riportato in Fotonica avanzata , i ricercatori dell'Istituto di microsistemi e tecnologia dell'informazione di Shanghai (SIMIT), Accademia cinese delle scienze, hanno fatto progressi nel migliorare la capacità di risoluzione del numero di fotoni degli SNSPD.
Aumentando la larghezza della striscia o l'induttanza totale, sono riusciti a superare i limiti di larghezza di banda e il jitter temporale nell'elettronica di lettura. Ciò ha comportato fronti di salita allungati e un migliore rapporto segnale-rumore negli impulsi di risposta, con conseguente maggiore fedeltà di lettura.
Ampliando la striscia superconduttiva a una scala micrometrica, i ricercatori hanno presentato la prima osservazione della risoluzione del numero di fotoni reali fino a 10 utilizzando il rilevatore di fotone singolo a microstriscia superconduttiva (SMSPD). Sorprendentemente, hanno ottenuto questi risultati anche senza l’uso di amplificatori criogenici. La fedeltà di lettura ha raggiunto un impressionante 98% per eventi a 4 fotoni e 90% per eventi a 6 fotoni.
Inoltre, i ricercatori hanno proposto una configurazione di temporizzazione a doppio canale per consentire la lettura del numero di fotoni in tempo reale. Questo approccio ha ridotto significativamente i requisiti di acquisizione dei dati di tre ordini di grandezza e ha semplificato la configurazione della lettura. Hanno anche dimostrato l'utilità del loro sistema nella tecnologia dell'informazione quantistica creando un generatore quantistico di numeri casuali basato sul campionamento della parità di uno stato coerente.
Questa tecnologia garantisce imparzialità, robustezza contro le imperfezioni sperimentali e il rumore ambientale e resistenza alle intercettazioni.
Questa ricerca rappresenta un progresso significativo nel campo dei PNRD. Con un ulteriore miglioramento dell’efficienza di rilevamento degli SMSPD, questa tecnologia potrebbe diventare facilmente accessibile per varie applicazioni di informazione quantistica ottica. Questi risultati evidenziano il potenziale degli SNSPD o degli SMSPD per ottenere una risoluzione del numero di fotoni ad alta fedeltà e con ampio intervallo dinamico.
Ulteriori informazioni: Ling-Dong Kong et al, Rivelatore di fotoni a microstriscia superconduttore a grande induttanza che consente una risoluzione di 10 numeri di fotoni, Fotonica avanzata (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.1.016004
Informazioni sul giornale: Fotonica avanzata
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