Kookkaampi kvanttiteknologia auttaa havaitsemaan heikkoja fotoneja

Arkemme on täynnä fotoneja, valon kvanttirakenteita. Huipputeknologioissa, kvanttilaskennasta syväkudoskuvantamiseen, jokaisen yksittäisen fotonin havaitseminen on tärkeää.

”Fotonit kuljettavat informaatiota”, sanoo Kristen Parzuchowski, postdoc-tutkija Yhdysvaltain standardi- ja teknologiainstituutissa (NIST). ”Aina kun fotoni tulee mittausjärjestelmään, se on kyettävä havaitsemaan.”

Fotonit voivat siirtää dataa kvanttiverkoissa tai syvän avaruuden tietoliikenneyhteyksien kautta. Fotonien kerääminen ja analysointi antaa tutkijoille mahdollisuuden rakentaa biolääketieteellisiä kuvia ja etsiä maailmankaikkeudesta pimeää ainetta.

Suprajohtavat nanolankaiset yksittäisfotonien ilmaisimet (SNSPD) ovat paras tapa siepata fotoneja näissä kaikissa sovelluksissa. Menetelmässä yksittäiset valohiukkaset luovat sähkövirtaan pieniä roiskeita, jotka häiritsevät suprajohtavuutta ja laukaisevat mitattavan sähköisen signaalin.

SNSPD-materiaaleilla on kuitenkin edelleen joitakin haittoja. Ne vaativat tyypillisesti erittäin erikoistuneita nanometrimittakaavan valmistustekniikoita. Hankalinta on, että suprajohtavan ilmaisimen reunoille kertyvä virta rajoittaa ilmaisimen suorituskykyä. Ilmaisimien, jotka pystyvät kuljettamaan enemmän virtaa, tiedetään toimivan paremmin, mutta valmistusvirheet rajoittavat maksimaalisen virtauksen.

NISTin tutkijat päättivät ajatella isommin. Uudessa tutkimustyössä he havaitsivat, että pystyvät kasvattamaan suprajohtavien lankojen kokoa 0,1 millimetriin – yli 100 kertaa leveämmäksi kuin tyypilliset ratkaisut.

"Tavallisesti kaikki ovat työskennelleet yhä pienempien ja pienempien lankojen valmistamiseksi, mikä tekee valmistuksesta yhä haastavampaa", Parzuchowski sanoi.

Mutta NISTin tutkijat ratkaisivat ongelman rakentamalle johteeseen ”raiteet”.

Nämä suprajohtavat raiteet reunustavat keskusjohdetta ja kuljettavat virtaa samaan suuntaan, mikä tuottaa magneettikentän. Raiteiden magneettikenttä kohtaa keskusjohtimen magneettikentän ja yhdessä ne jakavat virran uudelleen – virran kertymistä reunoille ei enää tapahdu.

Virran tasaaminen mahdollisti ryhmän maksimoida suprajohtavan johteen kuljettaman virran määrän ja skaalata johteen kokoa. Sitä kautta jokainen fotoni aiheuttaa selkeämmän roiskeen, jonka tiimi saattoi lukea helposti.

Ryhmä skaalasi johteensa millimetrin kymmenesosaan, ja on mahdollista mennä vielä leveämmäksi, toteaa ryhmän johtaja elektroniikkainsinööri Marty Stevens.

On epäselvää, voivatko leveät SNSPD-laitteet saavuttaa saman 98 prosentin hyötysuhteen kuin nanomittakaavan vastineensa, joten tarvitaan lisää testejä. Tutkimusryhmä saavutti kuitenkin rakenteillaan uuden ennätyksen – niiden pimeäsäteilyn määrä laski miljardikertaisesti.

”Se oli todella järkyttävää”, Parzuchowski muisteli. ”Kutsuimme ryhmämme muita jäseniä huoneeseen ja sanoimme heille: ”Katsokaa tätä, tämä on hullua!”

"On monia sovelluksia, joissa työskennellään kourallisen fotonien kanssa. Ihannetapauksessa ne kaikki on havaittava", Parzuchowski toteaa NISTn tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Yksittäisfotonien teknologia tukee kvanttitietoliikenneverkkoa

Fotoneja laskien