Быстродействующий детектор из нового материала позволяет извлечь квантовую информацию из единичных фотонов - «Наука и технологии»

Регистрация единичных фотонов света являлась и является сейчас достаточно тяжелой задачей, требующей сложного, громоздкого и дорогостоящего оборудования. Но не так давно ученые из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST), используя свой опыт в изготовлении сверхпроводящих нанопроводников, создали новый малогабаритный датчик единичных фотонов, отличающийся самым высоким на сегодняшний день быстродействием, которое равно 74 пикосекундам.

Возможно, что 74 пикосекунды (пикосекунда - это триллионная доля секунды), не походят на сверхвысокое быстродействие. Однако, создание такого датчика является поистине грандиозным достижением в деле изучения квантового мира, в котором квантовая информации достаточно часто переносится при помощи фотонов, частиц света. Высокое быстродействие нового датчика позволяет сократить значение неопределенности, которая возникает из-за неточности в определении момента времени прибытия фотона. И именно эта неопределенность является фактором, который ограничивает максимальные скорости передачи данных в квантовых коммуникационных системах.

Более точное определение момента времени прибытия фотонов уже помогла ученым NIST в ряде экспериментов по квантовой телепортации и экспериментов, в которых использовалось явление квантовой запутанности. Благодаря высокому быстродействию датчика ученым удалось расшифровать большую часть переносимой фотонами квантовой информации и получить достоверные подтверждения тому, что прибывающие фотоны надежно запутаны с другими фотонами.

Для изготовления нового датчика ученые использовали электронный луч для вырезания нанопроводников из тонкой пленки силицида молибдена, нанесенной на поверхность основания из материала, способного выдерживать высокую температуру. Крошечный всплеск энергии, который возникает при ударении фотона о поверхность датчика, заставляет нанопроводники на короткое время потерять свое сверхпроводящее состояние и стать нормальными проводниками, имеющими электрическое сопротивление.

Измерение изменений сопротивления нанопроводников датчика производится очень быстро, что позволяет при помощи этого датчика "считать" десятки миллионы фотонов в секунду, производя при этом небольшое количество ложных измерений. Другие подобные датчики, созданные учеными из NIST, были неэффективны, но ученые достаточно долго экспериментировали с различными материалами, с различными геометрическими формами нанопроводников, и наконец добились высокого быстродействия при приемлемом количестве ложных измерений.

Материал, который используется для изготовления сверхпроводящих нанопроводников, является сплавом вольфрама и кремния, а первая попытка его использования была осуществлена в 2011 году. Несмотря на то, что этот материал обладает свойствами сверхпроводника только при криогенных температурах, нанопроводники из него могут пропускать через себя больший ток, нежели нанопроводники из других материалов. А использование большего тока для измерения изменений сопротивления проводников позволяет получить более высокую точность этих измерений и обеспечивает увеличение быстродействие датчика от 150 до 74 пикосекунды. Для увеличения эффективности работы этого датчика сетка нанопроводников помещена в оптическую резонансную впадину, окруженную зеркалами из золота и других химически малоактивных материалов.

В результате всех описанных выше мер, суммарная эффективность датчика увеличилась на 87 процентов в длинах волн света, обычно используемых в оптических коммуникациях. Эффективность датчика уже вплотную приблизилась к максимальной теоретической эффективности кремний-вольфрамовых датчиков, которая составляет 93 процента, при этом количество ложных срабатываний находится на приемлемом уровне. В скором времени ученые NIST собираются интегрировать в структуру датчика единичных фотонов элементы из других материалов, что позволит, по их мнению, определять такие квантовые характеристики регистрируемых фотонов, как их поляризация. Кроме этого, новые элементы позволят еще больше увеличить точность работы датчиков, снизив уровень ложных срабатываний.

И в заключении следует отметить, что к делу создания нового датчика единичных фотонов, кроме исследователей из NIST, приложили свои руки и знания исследователи из Лаборатории НАСА по изучению реактивного движения, Калифорнийского технологического института и Женевского университета, Швейцария.