Только и света в окошке, что один фотон

Исследователи разработали новый детектор, который позволяет с очень высокой скоростью и точностью измерять одиночные фотоны. Новое устройство поможет сделать высокоскоростную квантовую связь более практичной.

Квантовая связь для передачи закодированной квантовой информации, например, ключей шифрования при квантовом распределении ключей использует свет на уровне одиночных фотонов. Согласно законам физики, данные, передаваемые таким образом, гарантированно защищены. Передача информации на более высоких скоростях требует однофотонного детектора, который может не только быстро регистрировать фотоны, но и точно измерять время их прихода.

В журнале Optica Publishing Group, посвященном высокоэффективным исследованиям, ученые под руководством Мэтью Д. Шоу из Лаборатории реактивного движения НАСА описывают и показывают свой новый детектор для измерения времени прихода фотонов, который они назвали PEACOQ (Performance-enhanced array for counting optical quanta) detector.

Наш новый детектор состоит из 32 сверхпроводящих нанопроводников из нитрида ниобия на кремниевом чипе, что обеспечивает значительную скорость счета с высокой точностью, — сказала член исследовательской группы Йоана Крайчиу, постдок.

Детектор был создан с учетом квантовой связи, поскольку именно эта технологическая область была ограничена производительностью имеющихся датчиков.

Детектор был разработан в рамках программы НАСА по созданию новой технологии квантовой связи между космосом и землей, которая в будущем позволит обмениваться квантовой информацией на межконтинентальных расстояниях. Эта работа основана на технологии, созданной для проекта NASA Deep Space Optical Communication, который станет первым примером демонстрации оптической связи в открытом космосе из межпланетного пространства.

В настоящее время не существует другого детектора, который мог бы так быстро подсчитывать одиночные фотоны с таким же временным разрешением, — отметила Крайчиу.

Мы знаем, что наш детектор будет полезен для квантовой связи, но мы также надеемся, что с его помощью можно будет решать и другие задачи, которые мы еще не рассматривали.

Более быстрая квантовая связь

Для ускорения скорости передачи квантовых сообщений требуется детектор на приемной стороне, который может быстро выполнять измерения и имеет малое время простоя, чтобы выдерживать высокую скорость поступления фотонов. Детектор также должен точно измерять время прибытия фотонов.

Хотя существуют детекторы, которые могут измерять время поступления фотонов с высокой точностью, они с трудом успевают это делать, когда фотоны поступают с высокой скоростью, и могут пропустить некоторые фотоны или неправильно определить время их поступления, — добавила Крайчиу.

Мы разработали детектор PEACOQ для точного измерения времени прихода одиночных фотонов, даже если они попадают в детектор с высокой скоростью. Кроме того, он эффективен, поскольку практически не теряет фотоны.

Детектор PEACOQ изготовлен из нанопроводников толщиной всего 7,5 нм, что примерно в 10 000 раз тоньше человеческого волоса. Благодаря работе при очень низких температурах — около 1 Кельвина, или -458 °F — нанопроводники становятся сверхпроводящими, что означает отсутствие у них электрического сопротивления.

В условиях сверхпроводимости любой фотон, попадающий на провод, имеет все шансы быть поглощенным этим проводом. Любые поглощенные фотоны создают горячую точку, которая увеличивает электрическое сопротивление провода. Для регистрации момента изменения сопротивления и, следовательно, момента поступления фотона в детектор используется компьютер и цифро-временной преобразователь.

Когда детектор регистрирует фотон, он выдает электрический импульс, а цифро-временной преобразователь измеряет время прихода этого электрического импульса очень точно, с разрешением менее 100 пикосекунд или в 70 миллионов раз быстрее, чем щелчок пальцами, — заявила Крайчиу.

Мы разработали новый цифро-временной преобразователь, который может измерять до 128 каналов одновременно с таким временным разрешением, что очень важно, поскольку нашему детектору достаточно 32 каналов.

Чтобы продемонстрировать работу нового детектора, исследователи охладили его в криостате до 1 Кельвина. Они использовали изготовленную на заказ испытательную установку для подачи света в криостат на детектор и цепочку электроники для передачи выходного сигнала детектора из криостата, его усиления и записи. Поскольку всего есть 32 нанопроводника, исследователям пришлось использовать 32 набора, включая 32 кабеля и 32 усилителя каждого типа.

Беспрецедентная скорость подсчета

Мы были очень довольны тем, как хорошо работает детектор, — заключила Крейчиу.

Скорость, с которой он может измерять фотоны, была самой высокой из всех, что мы когда-либо  наблюдали. Он требует сложной установки, поскольку каждый из 32 нанопроводников считывается отдельно, но для случаев, когда вам действительно нужно измерять фотоны с высокой скоростью и высокой точностью, это того стоит.

Обычно передаваемая квантовая информация настраивается на часы, при этом каждая часть информации кодируется в один фотон и отправляется в определенный такт. Точность измерения времени прибытия фотонов в приемник определяет, насколько близко друг к другу могут находиться такие такты без ошибки, и, следовательно, определяет, насколько быстро можно передать информацию. Новый детектор позволяет организовать квантовую связь с современной тактовой частотой 10 ГГц.

Исследователи продолжают работать над усовершенствованием детектора PEACOQ, эффективность которого в настоящее время составляет около 80% — это означает, что 20% фотонов, попадающих в детектор, не регистрируются. Авторы также планируют создать портативный приемник, который можно будет использовать для экспериментов в области квантовой связи. Он будет состоять из нескольких детекторов PEACOQ вместе с оптикой, считывающей электроникой и криостатом.

26.01.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP

В НИЯУ МИФИ создали онлайн-сервис —...

CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее

Передовая роботизированная система CARMA II ус...

Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности
Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности

Ученые из Санкт-Петербургского государств...

MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+
MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+

Инженеры из MIT придумали, как сдела...

Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры
Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры

Сотрудники лаборатории 3D-печати функциональны...

Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов
Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов

Ученые Томского политехнического университета ...

Свет из земли: как глина превратилась в дисплей
Свет из земли: как глина превратилась в дисплей

Мир дисплеев скоро изменится благодаря новым м...

В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии
В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии

В Национальном исследовательском ядерном униве...

Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям
Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям

Комментирует профессор Майя Вергниори, которая...

Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов
Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов

Катайский насосный завод, который находится в&...

Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»
Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»

Исследователи из Томского политехническог...

Science Advances: Ученые сумели подключить электроды к клеткам
Science Advances: Ученые сумели подключить электроды к клеткам

Исследователям из Университета Линчепинга...

Small Methods: Сублимация кристаллов диарилэтена — контроль над формой
Small Methods: Сублимация кристаллов диарилэтена — контроль над формой

Фотомеханические материалы из фотохромных...

Квантовые датчики обеспечат технологическую революцию к 2045 году
Квантовые датчики обеспечат технологическую революцию к 2045 году

Квантовые датчики находятся в авангарде т...

Стало известно, зачем ЕС инвестирует 24 млн евро в полупроводники
Стало известно, зачем ЕС инвестирует 24 млн евро в полупроводники

Европейский союз предпринимает решительные шаг...

В МИФИ создали интеллектуальную систему контроля работы 3D-принтеров
В МИФИ создали интеллектуальную систему контроля работы 3D-принтеров

Сотрудники Снежинского физико-технического инс...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Платиновая корона и танец молекул: как газы меняют структуру материала
Платиновая корона и танец молекул: как газы меняют структуру материала
PRSBBS: Почему макаки чешутся перед плохими решениями
PRSBBS: Почему макаки чешутся перед плохими решениями
13 миллиардов лет назад: как темная материя управляла галактиками
13 миллиардов лет назад: как темная материя управляла галактиками
Луна, птицы и бактерии: как наука стала главным героем дня в Казани
Луна, птицы и бактерии: как наука стала главным героем дня в Казани
День науки в КАИ: двигатели, стартапы и квантовые технологии
День науки в КАИ: двигатели, стартапы и квантовые технологии
Ферменты против похмелья: как новый сенсор изменит медицину и не только
Ферменты против похмелья: как новый сенсор изменит медицину и не только
Сок под микроскопом: ученые научились ловить опасный гербицид за 20 минут
Сок под микроскопом: ученые научились ловить опасный гербицид за 20 минут
Молодые ученые против COVID-19 и хронических ран: как открытия изменят медицину
Молодые ученые против COVID-19 и хронических ран: как открытия изменят медицину
Питомниковый кашель больше не проблема: появились быстрые тесты для собак
Питомниковый кашель больше не проблема: появились быстрые тесты для собак
10 секунд до чистоты: история устройства, которое изменило дезинфекцию
10 секунд до чистоты: история устройства, которое изменило дезинфекцию
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
Сорняк-разрушитель или лекарство будущего: ученые открыли секрет рейнутрии
Сорняк-разрушитель или лекарство будущего: ученые открыли секрет рейнутрии
Энергия будущего: низкотемпературная плазма и ее невероятные возможности
Энергия будущего: низкотемпературная плазма и ее невероятные возможности
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От лаборатории к реальности: как кристаллы времени заряжают мир
От лаборатории к реальности: как кристаллы времени заряжают мир

Новости компаний, релизы

Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
Три представительницы Республики Татарстан стали победителями Всероссийского конкурса Знание.Лектор
Калужан приглашают к участию в XIII сезоне Международного инженерного чемпионата CASE-IN
В Калуге обсудили меры поддержки молодых учёных региона
Молодых и заслуженных ученых наградили в Хабаровске