Эффективность детектора фотонов приблизилась к теоретическому максимуму

Использовав аналог технологии шумоподавления, применяемой в наушниках, исследователи из Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology (NIST)) создали полупроводниковую систему детектирования одиночных фотонов, продемонстрировавшую наивысшую эффективность среди устройств такого типа.

Его способность детектировать сотни миллионов фотонов в секунду с очень низким уровнем шума, по мнению изобретателей, окажется весьма востребованной в разрабатываемых сейчас по всему миру системах безопасных коммуникаций, кодирующих информацию в квантовых состояниях индивидуальных фотонов. Широко распространенным средством детектирования этих фотонов является однофотонный лавинный диод (single-photon avalanche diode, SPAD).

Производительность существующих SPAD до недавнего времени была фактором, ограничивающим общее быстродействие систем шифрования.

Проблемой SPAD, в частности тех, что чувствительны к длинам волн, используемым для телекоммуникаций, является импульс последействия (afterpulsing): за обнаружением фотона следует второе, ложное срабатывание. Применяемые для подавления этого эффекта электрические сигналы на порядки превосходят слабые отклики от единичных фотонов, и затрудняют определение истинных срабатываний в созданном электронном шуме.

Коллектив NIST нашел собственное решение этой проблемы, сконструировав уникальную систему контроля, существенно улучшающую функционирование детектора.

По словам Джоша Бьенфанга (Josh Bienfang) из группы квантовой оптики подразделения квантовых измерений, сущестующие детекторы на базе InGaAs/InP имеют достаточно неплохую эффективность, превышающую 70%. В полной мере реализовать это потенциал до сих пор не удавалось. Бьенфанг и его коллеги смогли осуществить это добившись снижения уровня электронных помех, более чем на 65 дБ, путем тщательного манипулирования электронными сигналами, формирующими периодические «окна» (gate) SPAD. Так называют интервалы, длительностью в несколько сот пикосекунд, за которые происходит одиночный цикл детектирования.

Идея заключалась в том, чтобы уменьшить усиление сигнала в SPAD до абсолютного минимума, необходимого для детектирования фотона, путем сокращения длительности электронного импульса. Для этого исследователи с помощью радиочастотного генератора составили импульс из двух, трех, и, в конечном итоге, четырех синхронизированных гармоник, сузив затвор до 150 пикосекунд. Уменьшение ширины интервала вдвое обеспечило снижение количества носителей зарядов в материале SPAD почти на порядок.

«Если проделать все правильно, то после 20-вольтного «оконного» импульса ничего не остается. Имеется только небольшой лавинный сигнал, — поясняет Бьенфанг. — С точки зрения пользователя, то что мы делаем было невозможно еще год назад».

В числе проектов, заинтересованных в этой работе и проддерживающих ее, авторы особо отметили инициативу агентства DARPA под названием Quiness, цель которой: «продемонстрировать, что квантовые коммуникации могут генерировать безопасные ключи с постоянной скоростью 1-10 Гб/с на расстояниях от 1 до 10 тыс. км».

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365