Создан детектор, который точно измеряет одиночные фотоны с очень высокой скоростью. Группа исследователей под руководством Лаборатории реактивного движения НАСА разработала детектор для измерения времени прихода фотонов. Устройство, которое инженеры назвали PEACOQ, достигает максимальной скорости счета свыше 1,5 Gcps (1,5 млрд отсчетов в секунду). Этого достаточно, чтобы создать квантовую связь с тактовой частотой 10 ГГц.

Детектор PEACOQ состоит из 32 нанопроволок толщиной всего 7,5 нм (примерно в 10 тыс. раз тоньше человеческого волоса). При охлаждении до сверхнизкой температуры около 1 K (-272,15 °C) такие проволоки становятся сверхпроводящими. При попадании фотона на сверхпроводящую проволоку он поглощается и создает горячую точку, которая заметно увеличивает электрическое сопротивление провода. Исследователи используют компьютер и цифро-временной преобразователь или преобразователь «временной интервал — цифровой код», чтобы регистрировать такие изменения сопротивления и подсчитывать фотоны.

Когда детектор измеряет фотон, он выдает электрический импульс, а цифро-временной преобразователь очень точно измеряет время прихода этого электрического импульса с разрешением менее 100 пикосекунд или в 70 млн раз быстрее, чем щелчок пальцами, – Иоана Крайчиу (Ioana Craiciu), соавтор исследования из Лаборатории реактивного движения НАСА.

Чтобы продемонстрировать работу устройства, исследователи охладили детектор с помощью специального криостата до 1 K. Они использовали специально изготовленную тестовую установку для направления света в криостат к детектору и цепочку электроники для передачи выходного сигнала детектора из криостата, его усиления и записи.

Детектор PEACOQ. Изображение: Ioana Craiciu et al., Optica

Анализ показал, что детектор обнаруживает фотоны с длиной волны 1 550 нм с эффективностью обнаружения до 78%. При этом скорость темнового счета составляет 158 cps, а максимальная скорость превышает 1,5 млрд cps при сжатии 3 дБ. Исследователи отмечают, что настоящее время нет другого детектора, который так быстро считает отдельные фотоны с таким же временным разрешением.

Разработка найдет применение в квантовой связи, полагают авторы исследования. Как правило, передаваемая квантовая информация настроена на часы, при этом каждый фрагмент данных кодируется в один фотон. То, насколько точно прибор измеряет время прибытия фотонов к приемнику, определяет, с какой частотой можно отправлять отдельные фотоны и, соответственно, как быстро передается информация.