Desde que el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) construyó sus primeros dispositivos superconductores para contar fotones (las unidades de luz más pequeñas) en la década de 1990, estos detectores que alguna vez fueron raros se han convertido en herramientas de investigación populares en todo el mundo. Ahora, NIST ha dado un paso hacia la habilitación de estándares universales para estos dispositivos, que son cada vez más importantes en la ciencia y la industria.

Los detectores de fotón único (SPD) son ahora clave para áreas de investigación que van desde las comunicaciones ópticas y la astrofísica hasta las tecnologías de la información de vanguardia basadas en la física cuántica. como la criptografía cuántica y la teletransportación cuántica.

Para garantizar su precisión y fiabilidad, Los DOCUP deben evaluarse y compararse con algún punto de referencia, idealmente un estándar formal. Los investigadores del NIST están desarrollando métodos para hacer eso y ya han comenzado a realizar calibraciones personalizadas para un puñado de empresas que fabrican SPD.

El equipo del NIST acaba de publicar métodos para medir la eficiencia de cinco SPD, incluyendo uno hecho en NIST, como antesala para ofrecer un servicio oficial de calibración.

"Este es un primer paso hacia la implementación de un estándar cuántico:producimos una herramienta para verificar un futuro estándar de detección de fotón único, ", Dijo el físico del NIST Thomas Gerrits." No hay un estándar en este momento, pero muchos institutos nacionales de metrología, incluyendo NIST, están trabajando en esto ".

"Ha habido artículos de revistas sobre este tema antes, pero hicimos análisis de incertidumbre en profundidad y describimos con gran detalle cómo hicimos las pruebas, ", Dijo Gerrits." El objetivo es servir como referencia para nuestro servicio de calibración planificado ".

El NIST está especialmente calificado para desarrollar estos métodos de evaluación porque el instituto fabrica los SPD más eficientes del mundo y mejora constantemente su desempeño. NIST se especializa en dos diseños superconductores:uno basado en nanocables o nanobandas, evaluado en el nuevo estudio, y sensores de borde de transición, para ser estudiado en un futuro próximo. El trabajo futuro también puede abordar estándares para detectores que miden niveles de luz muy bajos, pero no pueden contar la cantidad de fotones.

En el sistema métrico moderno, conocido como el SI, la unidad de medida básica que está más estrechamente relacionada con la detección de fotones es la candela, que es relevante para la luz detectada por el ojo humano. Las futuras redefiniciones de SI podrían incluir estándares de conteo de fotones, que podría ofrecer una forma más precisa de medir la luz en términos de candelas. Los niveles de luz de un solo fotón son menos de una mil millonésima parte de las cantidades en los estándares actuales.

El nuevo documento detalla el uso de tecnologías convencionales por parte del NIST para medir la eficiencia de detección de SPD, definido como la probabilidad de detectar un fotón que golpea el detector y produce un resultado medible. El equipo del NIST se aseguró de que las mediciones fueran trazables a un estándar primario para medidores de potencia óptica (radiómetro criogénico optimizado por láser del NIST). Los medidores mantienen la precisión a medida que las mediciones se reducen a niveles bajos de luz, con la incertidumbre de medición general debido principalmente a la calibración del medidor de potencia.

Los investigadores midieron la eficiencia de cinco detectores, incluyendo tres fotodiodos de conteo de fotones de silicio y el detector de nanocables del NIST. Los fotones se enviaron por fibra óptica para algunas mediciones y por el aire en otros casos. Se realizaron mediciones para dos longitudes de onda diferentes de luz comúnmente utilizadas en fibra óptica y comunicaciones. Las incertidumbres variaron desde un mínimo del 0,70% para las mediciones en fibra a una longitud de onda de 1533,6 nanómetros (nm) hasta el 1,78% para las lecturas aéreas a 851,7 nm.