Американские физики разработали детектор для одиночных фотонов, который может регистрировать до четырех фотонов одновременно. В будущем возможность точного счета фотонов при более интенсивном облучении может использоваться, в частности, для систем квантового шифрования, сообщают ученые в Optica.

Возможность детектирования одиночных фотонов лежит в основе работы фотонных компьютеров и других устройств, основанных на определении квантовых свойств отдельных фотонов. В большинстве экспериментов по квантовой оптике и квантовой информатике сейчас для этого используются детекторы из сверхпроводящих элементов. Принцип их работы основан на том, что при нагревании сверхпроводник, по которому течет близкий к критическому ток, теряет свои сверхпроводящие свойства. Однако все такие детекторы могут только показать, попали ли на него фотоны или нет, но при этом ничего не говорят об их количестве.

Группа американских физиков под руководством Клинтона Кейхэлла (Clinton Cahall) из Университета Дьюка предложила, как с помощью сверхпроводящего детектора одновременно регистрировать несколько фотонов и при этом точно определять их количество. Предложенный учеными детектор состоял из нескольких петель сверхпроводящей наноленты шириной около 100 нанометров, толщиной 5 нанометров и суммарной длиной около 15 микрон. Сигнал, которые фиксировал детектор, ученые описывали при помощи электротермической модели, описывающей изменение напряжения при увеличении количества фотонов, попадающих одновременно на детектор. При этом для работы детектора необходимо наличие усилителя сигнала, который работает при той же температуре, что и сверхпроводник (примерно −269 градусов Цельсия).

Количество случаев одновременного детектирования одного, двух, трех или четырех фотонов для светового импульса разной интенсивности. C. Cahall et al./ Optica, 2017

Чтобы проверить работу предложенного устройства, авторы работы облучали детектор короткими (80 пикосекунд) монохроматическими импульсами длиной волны 1550 нанометров различной интенсивности и сравнили полученные сигналы. Оказалось, что действительно при увеличении интенсивности (и соответственно, общем количестве фотонов) растет число одновременного попадания на детектор больше, чем одного фотона: двух, трех или четырех.

Сейчас число фотонов, которые можно детектировать таким способов, не больше четырех. Однако в будущем авторы работы надеются, что им удастся сделать подобное устройство, которое может детектировать до 20 фотонов одновременно.

По словам ученых, разработанное ими устройство может сильно расширить возможности современных систем, основанных на квантовой оптике, которые сейчас используются, например, для квантового шифрования сигнала. За счет увеличения количества детектируемых фотонов можно будет увеличить и количество передаваемой информации, которое даже при использовании единственного фотона сейчас превосходит 10 бит.

Автор: Александр Дубов