El uso de fotones individuales como qubits se ha convertido en una estrategia destacada en la tecnología de la información cuántica. Determinar con precisión la cantidad de fotones es crucial en varios sistemas cuánticos, incluida la computación cuántica, la comunicación cuántica y la metrología cuántica.
Los detectores de resolución de número de fotones (PNRD) desempeñan un papel vital para lograr esta precisión y tienen dos indicadores de rendimiento principales:fidelidad de resolución, que mide la probabilidad de registrar con precisión el número de fotones incidentes, y rango dinámico, que describe el fotón máximo resoluble. número.
Los detectores superconductores de fotón único de nanotiras (SNSPD) se consideran la tecnología líder para la detección de fotón único. Ofrecen una eficiencia casi perfecta y un rendimiento de alta velocidad.
Sin embargo, con respecto a la resolución del número de fotones, los PNRD basados en SNSPD han tenido dificultades para encontrar un equilibrio entre fidelidad y rango dinámico. Los SNSPD existentes de estilo matriz, que dividen los fotones incidentes entre un número limitado de píxeles, enfrentan limitaciones de fidelidad. Por ello, estos detectores se denominan cuasi-PNRD.
Los SNSPD funcionan rompiendo la superconductividad local de una franja estrecha, enfriada y polarizada por corriente cuando se absorbe un fotón. Esto crea una región resistiva local llamada punto de acceso y la corriente resultante se desvía a través de una resistencia de carga, generando un pulso de voltaje detectable.
Por lo tanto, un SNSPD con una tira superconductora suficientemente larga puede verse como una cascada de miles de elementos, y n-fotones que activan simultáneamente diferentes elementos deberían generar n puntos de acceso no superpuestos. Sin embargo, los SNSPD convencionales combinados con lecturas criogénicas modificadas solo pueden resolver números de 3 a 4 fotones, lo que resulta en un rango dinámico bajo.
Como se informa en Fotónica avanzada , investigadores del Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghai (SIMIT) de la Academia de Ciencias de China, han logrado avances en la mejora de la capacidad de resolución del número de fotones de los SNSPD.
Al aumentar el ancho de la tira o la inductancia total, pudieron superar las limitaciones del ancho de banda y la fluctuación de tiempo en la electrónica de lectura. Esto dio como resultado flancos ascendentes estirados y una mejor relación señal-ruido en los pulsos de respuesta y, por lo tanto, una mayor fidelidad de lectura.
Al ampliar la tira superconductora a una escala micrométrica, los investigadores han presentado la primera observación de una resolución de número de fotones verdaderos de hasta 10 utilizando el detector de fotón único de microcinta superconductora (SMSPD). Sorprendentemente, lograron estos resultados incluso sin el uso de amplificadores criogénicos. La fidelidad de la lectura alcanzó un impresionante 98 por ciento para eventos de 4 fotones y 90 por ciento para eventos de 6 fotones.
Además, los investigadores propusieron una configuración de sincronización de doble canal para permitir la lectura del número de fotones en tiempo real. Este enfoque redujo significativamente los requisitos de adquisición de datos en tres órdenes de magnitud y simplificó la configuración de la lectura. También demostraron la utilidad de su sistema en la tecnología de la información cuántica mediante la creación de un generador cuántico de números aleatorios basado en el muestreo de la paridad de un estado coherente.
Esta tecnología garantiza imparcialidad, solidez frente a imperfecciones experimentales y ruido ambiental, y resistencia a escuchas ilegales.
Esta investigación representa un avance significativo en el campo de los PNRD. Con una mejora adicional en la eficiencia de detección de los SMSPD, esta tecnología podría volverse fácilmente accesible para diversas aplicaciones de información óptica cuántica. Estos resultados resaltan el potencial de los SNSPD o SMSPD para lograr una resolución de número de fotones de alta fidelidad y de gran rango dinámico.
Más información: Ling-Dong Kong et al, Detector de fotones de microcinta superconductores de gran inductancia que permite una resolución de 10 números de fotones, Fotónica avanzada (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.1.016004
Información de la revista: Fotónica avanzada
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