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