Квантовые коммуникации: считаем фотоны

Сверхбыстрые, эффективные и надежные однофотонные детекторы – наиболее желаемые компоненты в оптических и квантовых системах связи – все еще не достигли уровня, необходимого для практических приложений. Д-р Вольфрам Пернисе (Wolfram Pernice) из Технологического института Карлсруэ (KIT) в сотрудничестве с коллегами из Йельского университета, Бостонского университета и Московского государственного педагогического университета достигли решающего успеха, объединив однофотонные детекторы с нанооптическими чипами. Детектор обеспечивает почти поодиночную фиксацию фотонов, высокое разрешение по времени и очень низкую частоту ошибок.

Без надежного определения одиночных фотонов невозможно сделать реальным использование последних достижений в оптической передаче данных или квантовых вычислениях. Хотя за последние несколько лет был разработан ряд однофотонных детекторов, до сих пор ни один из них не обеспечил удовлетворительную производительность.

Несколько новых идей и конструктивных улучшений реализованны в прототипе, разработанном в рамках проекта «Integrated Quantum Photonics». Новый однофотонный детектор, протестированный в телекоммуникационном диапазоне длин волн, показал ранее недостижимую эффективность детектирования – 91%.

Детектор был получен с помощью изготовления сверхпроводящих нанопроволок прямо по верху нанофотонных волноводов. Эту геометрию можно сравнить с трубой, которая проводит свет, с намотанной вокруг нее проволокой в сверхпроводящем состоянии. Проволока нанометровых размеров, сделанная из нитрида ниобия, поглощает фотоны, которые распространяются по волноводу. Когда фотон поглощается, сверхпроводимость теряется, что определяется как электрический сигнал. Чем длиннее трубка, тем выше вероятность детектирования. Размеры прибора лежат в микрометровом диапазоне.

Важной особенностью детектора является его прямая инсталляция на чип, которая позволяет произвольную репликацию. Однофотонные детекторы, построенные до сих пор, были автономными устройствами, которые соединялись с чипом с помощью оптоволокна. Это приводило к потере фотонов в оптоволокне или другими путями. Подобные каналы потерь отсутствуют в новом детекторе, который теперь полностью встраивается в кремниевую фотонную цепь. Вдобавок к высокой эффективности детектирования, это дает замечательно низкую темновую скорость счета. Темновой счет возникает, когда фотон неправильно детектируется: например, вследствие спонтанной эмиссии, альфа-частиц или ложного срабатывания. Новая конструкция обеспечивает также сверхкороткое временное дрожание – всего 18 пс, которое случается 18 раз в каждые 10—12 с.

Новое решение делает также возможным установку нескольких сотен таких детекторов на одном чипе. Это является основным предусловием для будущего использования прибора в оптических квантовых компьютерах.

Однофотонный детектор характеризуется пятью особенностями: 91%-ой эффективностью обнаружения, прямой установкой на чип, частотой счета в гигагерцевом диапазоне, высоким временным разрешением и пренебрежимо малой частотой темнового счета