I ricercatori dell'Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e della comunicazione hanno inventato una nuova struttura in un rilevatore di fotoni a striscia superconduttiva che consente il rilevamento di fotoni altamente efficiente anche con una striscia larga e sono riusciti a sviluppare il primo rilevatore di fotoni a striscia larga superconduttiva (SWSPD) al mondo.
La larghezza della striscia del rilevatore è oltre 200 volte più ampia di quella dei tradizionali rilevatori di fotoni superconduttori NanoStrip (SNSPD). Questa tecnologia può aiutare a risolvere i problemi di bassa produttività e dipendenza dalla polarizzazione che esistono negli SNSPD convenzionali. Si prevede che il nuovo SWSPD verrà applicato a varie tecnologie avanzate come la comunicazione delle informazioni quantistiche e i computer quantistici, consentendo la rapida implementazione sociale di queste tecnologie avanzate.
Il lavoro è pubblicato sulla rivista Optica Quantum .
La tecnologia di rilevamento dei fotoni è una tecnologia di base strategica per realizzare un'innovazione in un'ampia gamma di campi tecnologici avanzati, tra cui la comunicazione dell'informazione quantistica e l'informatica quantistica, che sono attualmente sottoposti a un'intensa attività di ricerca e sviluppo su scala globale, e anche l'osservazione fluorescente di cellule vive, comunicazione ottica nello spazio profondo, rilevamento laser e altro ancora.
Il gruppo di ricerca NTIC ha sviluppato un SNSPD con una larghezza della striscia pari o inferiore a 100 nm. Hanno raggiunto con successo prestazioni elevate, superando altri rilevatori di fotoni, e hanno dimostrato la sua utilità applicandola alla tecnologia di comunicazione dell'informazione quantistica. Tuttavia, la fabbricazione di SNSPD richiede la formazione di strutture di nanostrisce utilizzando una tecnologia avanzata di nanofabbricazione, che provoca variazioni nelle prestazioni del rivelatore e ostacola il miglioramento della produttività. Inoltre, la presenza della dipendenza dalla polarizzazione dovuta alla struttura serpeggiante della nanostriscia superconduttiva ha anche limitato il campo di applicazione come rilevatore di fotoni.
In questo lavoro, NICT ha inventato una nuova struttura chiamata "struttura High Critical Current Bank (HCCB)" che consente un rilevamento di fotoni altamente efficiente anche se la larghezza della striscia è ampliata nel rilevatore di fotoni a striscia superconduttiva, ed è riuscita a sviluppare un SWSPD con una larghezza di 20 micrometri, oltre 200 volte più largo del convenzionale rilevatore di fotoni su nanostriscia, e ha ottenuto per la prima volta al mondo un funzionamento ad alte prestazioni.
Il tipo di nanostriscia sviluppato da NICT richiedeva la formazione di nanostrisce superconduttrici estremamente lunghe con una larghezza della striscia di 100 nm o meno in una forma sinuosa. Il tipo a striscia larga può ora essere formato con una sola striscia superconduttrice diritta e corta.
Questo SWSPD non richiede la tecnologia di nanofabbricazione e può essere fabbricato mediante una tecnologia di fotolitografia generica altamente produttiva. Inoltre, poiché la larghezza della striscia è maggiore del punto luminoso incidente irradiato dalla fibra ottica, è possibile eliminare la dipendenza dalla polarizzazione osservata nel rilevatore di tipo nanostriscia.
Come risultato della valutazione delle prestazioni di questo rilevatore, l'efficienza di rilevamento nella banda di lunghezze d'onda delle telecomunicazioni (λ=1.550 nm) è stata del 78%, paragonabile all'81% del tipo a nanostriscia. Inoltre, il jitter temporale ha mostrato valori numerici migliori rispetto al tipo nanostrip.
Questo risultato consente la fabbricazione di rilevatori di fotoni con maggiore produttività e prestazioni e caratteristiche superiori rispetto al tipo a nanostriscia che è stato posizionato come tecnologia di rilevamento di fotoni indispensabile in campi tecnologici avanzati come la comunicazione delle informazioni quantistiche. Si prevede che tale tecnologia verrà applicata a varie tecnologie di comunicazione dell'informazione quantistica e diventerà un'importante tecnologia di base per la realizzazione di computer quantistici in rete promossi nel JST Moonshot Goal 6.
In futuro, il team esplorerà ulteriormente la struttura HCCB nell'SWSPD, per rilevare fotoni con alta efficienza non solo nella banda di lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, ma anche in un'ampia banda di lunghezze d'onda dal visibile al medio infrarosso. Inoltre, proveranno anche a espandere ulteriormente le dimensioni dell'area di ricezione dei fotoni per espandere le applicazioni come la tecnologia di comunicazione ottica nello spazio profondo, il rilevamento laser, l'osservazione di cellule vive e altro ancora.
Ulteriori informazioni: Masahiro Yabuno et al, Rivelatore di fotoni a striscia larga superconduttore con struttura a banchi di corrente critica elevata, Optica Quantum (2023). DOI:10.1364/OPTICAQ.497675
Fornito dall'Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e della comunicazione (NICT)
