Pieni mikroaaltofotonien ilmaisin voisi edistää kvanttiteknologiaa

EPFL:n tutkijat ovat rakentaneet laitteen, joka havaitsee yksittäisiä mikroaaltofotoneja jopa 70 prosentin hyötysuhteella jatkuvasti ja ilman monimutkaisia nollausvaiheita.

Yhden valohiukkasen havaitseminen on vaikeaa mutta yhden mikroaaltofotonin havaitseminen on vielä vaikeampaa.

Mikroaaltofotonit, nykytekniikoissa, kuten Wi-Fi:ssä ja tutkassa, käytettävät pienet sähkömagneettisen säteilyn paketit, kuljettavat paljon vähemmän energiaa kuin näkyvä valo. Ne ovat noin 100 000 kertaa heikompia kuin optiset fotonit.

Monet olemassa olevat kvanttiteknologiat perustuvat yksittäisten fotonien havaitsemiseen suurella luotettavuudella. Näkyvän valon tapauksessa tämä on vakiintunutta tekniikkaa käyttäen laitteita, jotka muuntavat tulevan valon suoraan sähköisiksi signaaleiksi.

Mutta mikroaaltotaajuuksilla (0,3–30 GHz) tämä ei hevillä onnistu koska jokainen yksittäinen fotoni ei kanna riittävästi energiaa vapauttaakseen sähkövarausta materiaalissa. Tämä tarkoittaa, että yksittäisten mikroaaltofotonien havaitseminen vaatii täysin erilaisen strategian.

Pitkäaikainen tavoite on ollut toteuttaa yksinkertainen laite, joka kykenee jatkuvasti havaitsemaan mikroaaltofotoneja. Nyt EPFL:n tutkijat Pasquale Scarlinon johdolla ovat kehittäneet puolijohdepohjaisen ilmaisimen, joka ottaa tärkeän askeleen tähän suuntaan.

Science Advances -lehdessä julkaistu piirirakenne yhdistää puolijohderakenteen, jota kutsutaan "kaksoiskvanttipisteeksi", suprajohtavaan mikroaalto-onteloon – pieneen resonanssipiiriin, joka vangitsee ja varastoi mikroaaltofotoneja, jotta ne voivat olla voimakkaassa vuorovaikutuksessa piirirakenteen kanssa. Yhdessä nämä komponentit muuntavat tulevat mikroaaltofotonit pieneksi mutta mitattavaksi sähkövirraksi.

”Puolijohdepohjaisten mikroaaltofotodetektorien uuden vertailuarvon asettamisen lisäksi työ avaa uusia näkökulmia kvanttimikroaalto-optiikalle, kvanttitunnistukselle ja skaalautuville kvantti-informaatioalustoille”, Scarlino sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Ohjelmoitava monitoiminen integroitu mikroaaltofotonipiiri

Suora viestintä useiden kvanttiprosessorien välillä