Los físicos cuánticos confían en la detección cuántica como un método muy atractivo para acceder a regiones espectrales y detectar fotones (pequeños paquetes de luz) que generalmente son técnicamente desafiantes. Pueden recopilar información de muestra en la región espectral de interés y transferir los detalles mediante correlaciones de bifotones a otro rango espectral con detectores de alta sensibilidad. El trabajo es especialmente beneficioso para la radiación de terahercios sin detectores de semiconductores, donde los físicos deben utilizar esquemas de detección coherentes o bolómetros enfriados criogénicamente. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Mirco Kutas y un equipo de investigación de los departamentos de matemática y física industrial en Alemania describieron la primera demostración de detección cuántica en el rango de frecuencia de terahercios. Durante los experimentos, Las frecuencias de terahercios interactuaron con una muestra en el espacio libre y proporcionaron información sobre el espesor de la muestra al detectar los fotones visibles. El equipo obtuvo medidas de espesor de capa con fotones de terahercios basados ​​en la interferencia de bifotones. Dado que la capacidad de medir el espesor de la capa de forma no destructiva es de gran relevancia industrial, Kutas y col. Esperamos que estos experimentos sean un primer paso hacia la detección cuántica industrial.

La detección e imágenes cuánticas es un esquema popular para las mediciones infrarrojas que utilizan un par de fotones visibles e infrarrojos correlacionados. Los equipos de investigación habían demostrado previamente el principio general de la detección cuántica en el rango de frecuencia de terahercios utilizando un interferómetro monocristalino en la configuración de Young para medir la absorción de un cristal de niobato de litio de polos periódicos (PPLN). dentro del rango de frecuencia de terahercios. En el presente trabajo, Kutas y col. generaron fotones de terahercios (inactivos) usando conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) usando fotones de bombeo a 660 km para generar fotones de señal a una longitud de onda de aproximadamente 661 nm, muy cerca de la longitud de onda de la bomba de espectros. Para probar la viabilidad de la detección cuántica a temperatura ambiente, El equipo primero analizó teóricamente el concepto de un interferómetro cuántico monocristalino.

En teoria, la configuración contenía una viga de bomba, que iluminó un cristal no lineal para crear pares de señales y fotones inactivos (i). Kutas y col. basaron su proceso teórico en un estudio previo. En los experimentos habituales de SPDC (conversión descendente paramétrica espontánea), los modos de entrada están en un estado de vacío. Sin embargo, En el presente trabajo, la pequeña energía de los fotones inactivos en el rango de los terahercios recibió contribuciones sustanciales de las fluctuaciones térmicas para estar en un estado térmico. Durante el experimento, el equipo esperaba separar la bomba y los fotones de señal de los fotones inactivos para interactuar con el objeto a fin de que la radiación resultante se reflejara y se acoplara nuevamente al cristal. Ilustraron la interferencia esperada resultante del modelo para concluir que se podría esperar un patrón de interferencia en presencia de fotones térmicos para la conversión descendente (cuando la señal y los campos inactivos tienen una frecuencia más baja que la de la bomba) así como para la conversión ascendente. .

La configuración experimental actual también se basó en una configuración presentada anteriormente, ampliada a un interferómetro cuántico de cristal único similar a Michelson. Los científicos utilizaron un láser de estado sólido con doble frecuencia de 660 nm como fuente de bombeo y acoplaron los fotones al interferómetro utilizando una rejilla de Bragg de volumen (VBG). Para el medio no lineal, seleccionaron un cristal PPLN (niobato de litio de polos periódicos) de 1 mm de largo con un período de poling de 90 µm para generar fotones visibles (señal) y fotones asociados (inactivos) en el rango de frecuencia de terahercios. Detrás del cristal los investigadores colocaron un vidrio recubierto de óxido de indio y estaño para separar los fotones inactivos de la bomba y los fotones de señal. Luego enfocaron directamente la bomba y la radiación de señal de regreso al cristal usando un espejo cóncavo.

Dado que el índice de refracción del niobato de litio (LiNbO ₃ ) en el rango de frecuencia de terahercios condujo a un gran ángulo de dispersión de la radiación inactiva, colimaron esta radiación usando un espejo parabólico y reflejaron la radiación inactiva en un espejo plano colocado en una platina lineal piezoeléctrica. Después de dos pasajes a través del cristal, colimaron la bomba y los haces de señal y filtraron los fotones de la bomba utilizando tres VBG que funcionaban como filtros de muesca de banda estrecha y de alta eficiencia. El equipo utilizó como detector una cámara científica semiconductora de óxido de metal complementario (sCMOS) no refrigerada. Los fotones de señal en la configuración podrían generarse mediante SPDC (conversión descendente paramétrica espontánea) o convirtiendo los fotones térmicos en el rango de frecuencia de terahercios. La intensidad de la señal dependía linealmente de la potencia de la bomba, lo que permitía que el experimento se realizara en la región de baja ganancia.

Los científicos observaron la interferencia de los fotones de la señal en las regiones de Stokes y anti-Stokes, coincidiendo con la señal de interferencia simulada. Las correspondientes transformadas rápidas de Fourier (FFT) mostraron un pico durante ambos casos en relación con las condiciones de coincidencia de fase. El ruido de los datos registrados se debe a las fluctuaciones del láser y al ruido de la cámara. Para determinar que la interferencia fue causada por fotones de terahercios que se propagan a lo largo del camino inactivo, colocaron un vidrio de óxido de estaño indio entre el espejo parabólico y plano, que bloqueó la radiación de terahercios, permitiendo al mismo tiempo la transmisión de luz visible.

Para luego demostrar la detección cuántica de terahercios, Kutas y col. midió el grosor de una variedad de placas de politetrafluoroetileno (PTFE), colocadas en la trayectoria del rodillo con un grosor máximo de 5 mm. Debido al índice de refracción del PTFE, la longitud óptica del camino cambió y observaron la envolvente de interferencia en diferentes etapas. Aparte del turno, la visibilidad de la interferencia disminuyó en presencia de la placa de PTFE. El equipo detectó el grosor de la placa estimando su índice de refracción utilizando un sistema estándar de espectroscopia en el dominio del tiempo (TDS). Basándose en el índice de refracción y el desplazamiento de la señal de interferencia, calcularon el grosor de la capa. Los resultados mostraron que la interferencia cuántica con fotones inactivos en el rango de frecuencia de terahercios permitió a los físicos determinar el espesor de capa de las muestras en la ruta de terahercios mediante detección cuántica.

De este modo, Mirco Kutas y sus colegas observaron interferencia cuántica en el rango de frecuencia de terahercios con la propagación de fotones de terahercios en el espacio libre, dentro de las regiones de Stokes y anti-Stokes. Demostraron la capacidad de utilizar esta técnica para determinar el grosor de una variedad de regiones de PTFE como aplicaciones de prueba de concepto en el rango de frecuencia de terahercios. Si bien el tiempo de medición y la resolución no se pueden comparar con los esquemas de medición clásicos de terahercios, el concepto presentado aquí es un primer hito hacia la imagen cuántica de terahercios.

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