L’utilisation de photons uniques comme qubits est devenue une stratégie importante dans le domaine des technologies de l’information quantique. Déterminer avec précision le nombre de photons est crucial dans divers systèmes quantiques, notamment le calcul quantique, la communication quantique et la métrologie quantique.
Les détecteurs à résolution du nombre de photons (PNRD) jouent un rôle essentiel dans l’obtention de cette précision et disposent de deux indicateurs de performance principaux : la fidélité de résolution, qui mesure la probabilité d’enregistrer avec précision le nombre de photons incidents, et la plage dynamique, qui décrit le photon résolvable maximum. nombre.
Les détecteurs supraconducteurs à photons uniques à nanorubans (SNSPD) sont considérés comme la technologie de pointe pour la détection de photons uniques. Ils offrent une efficacité presque parfaite et des performances à grande vitesse.
Cependant, en ce qui concerne la résolution du nombre de photons, les PNRD basés sur le SNSPD ont eu du mal à trouver un équilibre entre fidélité et plage dynamique. Les SNSPD de type réseau existants, qui divisent les photons incidents entre un nombre limité de pixels, sont confrontés à des contraintes de fidélité. Ces détecteurs sont ainsi appelés quasi-PNRD.
Les SNSPD fonctionnent en brisant la supraconductivité locale d’une bande étroite, refroidie et polarisée en courant lorsqu’un photon est absorbé. Cela crée une région résistive locale appelée point chaud, et le courant résultant est détourné à travers une résistance de charge, générant une impulsion de tension détectable.
Par conséquent, un SNSPD avec une bande supraconductrice suffisamment longue peut être considéré comme une cascade de milliers d’éléments, et des photons n activant simultanément différents éléments devraient générer n points chauds qui ne se chevauchent pas. Cependant, les SNSPD conventionnels combinés à des lectures cryogéniques modifiées ne peuvent résoudre que 3 à 4 nombres de photons, ce qui entraîne une faible plage dynamique.
Comme indiqué dans Photonique avancéedes chercheurs de l’Institut des microsystèmes et des technologies de l’information de Shanghai (SIMIT), de l’Académie chinoise des sciences, ont progressé dans l’amélioration de la capacité de résolution du nombre de photons des SNSPD.
En augmentant la largeur de la bande ou l’inductance totale, ils ont pu surmonter les limitations de bande passante et la gigue temporelle de l’électronique de lecture. Cela a entraîné des fronts montants étirés et un rapport signal/bruit amélioré dans les impulsions de réponse, et donc une fidélité de lecture améliorée.
En élargissant la bande supraconductrice à l’échelle micrométrique, les chercheurs ont présenté la première observation d’une résolution du nombre de photons réels allant jusqu’à 10 à l’aide du détecteur de photon unique à microruban supraconducteur (SMSPD). Étonnamment, ils ont obtenu ces résultats même sans utiliser d’amplificateurs cryogéniques. La fidélité de lecture a atteint un impressionnant 98 pour cent pour les événements à 4 photons et 90 pour cent pour les événements à 6 photons.
En outre, les chercheurs ont proposé une configuration de synchronisation à double canal pour permettre la lecture du nombre de photons en temps réel. Cette approche a considérablement réduit les besoins d’acquisition de données de trois ordres de grandeur et simplifié la configuration de lecture. Ils ont également démontré l’utilité de leur système dans la technologie de l’information quantique en créant un générateur quantique de nombres aléatoires basé sur l’échantillonnage de la parité d’un état cohérent.
Cette technologie garantit l’impartialité, la robustesse contre les imperfections expérimentales et le bruit ambiant, ainsi que la résistance aux écoutes clandestines.
Cette recherche représente une avancée significative dans le domaine des PNRD. Avec une nouvelle amélioration de l’efficacité de détection des SMSPD, cette technologie pourrait devenir facilement accessible pour diverses applications d’information quantique optique. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des SNSPD ou des SMSPD pour obtenir une résolution du nombre de photons haute fidélité et à grande plage dynamique.
Plus d’information:
Ling-Dong Kong et al, Détecteur de photons à microruban supraconducteur à grande inductance permettant une résolution de 10 nombres de photons, Photonique avancée (2024). DOI : 10.1117/1.AP.6.1.016004