Надпровідний детектор фотонів може забезпечити високошвидкісний квантовий зв’язок

Дослідники розробили новий детектор, який може точно вимірювати окремі фотони з дуже високою швидкістю. Новий пристрій може допомогти зробити високошвидкісний квантовий зв’язок практичним. Квантова комунікація використовує світло на рівні одного фотона для надсилання закодованої квантової інформації, такої як ключі шифрування у квантовому розподілі ключів. Через закони фізики дані, передані таким чином, гарантовано залишаються в безпеці. Для надсилання інформації на вищих швидкостях потрібен один детектор фотонів, який може не тільки швидко виявляти фотони, але й точно вимірювати час їх надходження.

В  Optica, журналі Optica Publishing Group для досліджень високого впливу, дослідники на чолі з Метью Д. Шоу  з Лабораторії реактивного руху НАСА  описують і демонструють свій новий детектор для вимірювання часу приходу фотонів, який вони називають PEACOQ (матриця з підвищеною продуктивністю для підрахунку). оптичні кванти) детектор.

«Наш новий детектор складається з 32 надпровідних нанодротів нітриду ніобію на кремнієвому чіпі, що забезпечує високі швидкості підрахунку з високою точністю», — сказала член дослідницької групи Іоана Крайчіу, докторант. «Детектор був розроблений з урахуванням квантової комунікації, оскільки це технологічна область, яка була обмежена продуктивністю доступних детекторів».

Детектор було розроблено в рамках програми NASA для створення нової технології квантового зв’язку космос-земля, яка в майбутньому дозволить обмінюватися квантовою інформацією на міжконтинентальних відстанях. Ця робота базується на технології, розробленій для проєкту NASA Deep Space Optical Communication, який стане першою демонстрацією оптичного зв’язку у вільному космосі з міжпланетного простору.

«Наразі немає іншого детектора, який би міг так швидко підраховувати окремі фотони з такою ж роздільною здатністю за часом», — сказав Крайціу. «Ми знаємо, що цей детектор буде корисним для квантової комунікації, але ми також сподіваємося, що він зможе залучити інші програми, які ми не розглядали».

Швидший квантовий зв’язок

Для збільшення швидкості передачі квантового зв’язку потрібен детектор на приймальному кінці, який може виконувати швидкі вимірювання та має короткий час затримки, щоб він міг боротися з високою швидкістю надходження фотонів. Детектор також повинен точно вимірювати час приходу фотонів.

«Хоча є детектори, які можуть вимірювати час надходження фотонів з високою точністю, їм важко встигати, коли фотони надходять у швидкій послідовності, і можуть пропустити деякі з фотонів або неправильно визначити час їх надходження», — сказав Крайчіу. «Ми розробили детектор PEACOQ, щоб точно вимірювати час надходження окремих фотонів, навіть коли вони потрапляють на детектор із високою швидкістю. Він також ефективний – він не пропускає багато фотонів».

Детектор PEACOQ виготовлено з нанодротів товщиною лише 7,5 нм, або приблизно в 10 000 разів тонше людської волосини. Робота за дуже низьких температур — близько 1 Кельвіна, або -458 °F — робить нанодроти надпровідними, що означає, що вони не мають електричного опору. В умовах надпровідності будь-який фотон, який потрапляє на дріт, має хороші шанси бути поглиненим цим дротом. Будь-які поглинені фотони створюють гарячу точку, яка помітно збільшує електричний опір дроту. Комп’ютер разом із часово-цифровим перетворювачем використовується для запису, коли опір змінився, і, таким чином, коли фотон прибув до детектора.

«Коли детектор вимірює фотон, він видає електричний імпульс, і час-цифровий перетворювач вимірює час приходу цього електричного імпульсу дуже точно, з роздільною здатністю нижче 100 пікосекунд або в 70 мільйонів разів швидше, ніж клацання пальцями. «, — сказав Крайчу. «Ми розробили новий час-цифровий перетворювач, який може вимірювати до 128 каналів одночасно з такою тимчасовою роздільною здатністю, що важливо, оскільки нашому детектору потрібно 32 канали».

Щоб продемонструвати новий детектор, дослідники охолодили його до 1 Кельвіна, встановивши в кріостат. Вони використовували спеціальну тестову установку для надсилання світла в кріостат до детектора та ланцюг електроніки для передачі вихідного сигналу детектора з кріостата, посилення його та запису. Оскільки існує 32 нанодроти, дослідникам довелося використати 32 комплекти кожного компонента, включаючи 32 кабелі та 32 кожного виду підсилювача.

«Ми були дуже задоволені тим, як добре працював детектор», — сказав Крайчу. «Швидкість, з якою він може вимірювати фотони, була найвищою, яку ми бачили. Це вимагає складного налаштування, оскільки кожен із 32 нанодротів зчитується окремо, але для додатків, де вам дійсно потрібно вимірювати фотони з високою швидкістю та високою точністю, це варте клопоту».

Як правило, квантова інформація, що передається, налаштована на годинник, при цьому кожен фрагмент інформації кодується в одному фотоні та надсилається миттєво. Наскільки точно ви можете виміряти час надходження фотонів до приймача, залежить те, наскільки близько один до одного можуть бути позначки без помилок, і, отже, це визначає, наскільки швидко ви можете надіслати інформацію. Новий детектор робить практичним квантовий зв’язок із сучасною тактовою частотою 10 ГГц.

Дослідники все ще працюють над удосконаленням детектора PEACOQ, ефективність якого наразі становить близько 80%, тобто 20% фотонів, які потрапляють на детектор, не вимірюються. Вони також планують побудувати портативний приймач, який можна буде використовувати для експериментів із квантовим зв’язком. Він міститиме кілька детекторів PEACOQ, а також оптику, електроніку для зчитування та кріостат.