جامعة بادربورن تطور كاشف فوتوني جديد يحقق دقة في عدّ الفوتونات أقل من فوتون واحد عند 276 فوتون

قام فريق البحث في جامعة بادربورن بتطوير كاشف فوتوني قادر على حساب أكثر من 9,000 نبضة فوتونية، وقياس ما يصل إلى 276 نبضة فوتونية مع عدم اليقين أقل من فوتون واحد، وفقًا لبيان صحفي صادر عن "Optica". مع زيادة عدد الفوتونات، تصبح صعوبة حساب الفوتونات أكبر. العديد من كواشف الفوتونات الفردية، بما في ذلك الثنائيات الضوئية الانهيارية شبه الموصلية، يمكنها فقط إظهار ما إذا كان الضوء قد وصل، دون القدرة على إظهار عدد الفوتونات. الكواشف المصممة للضوء الأكثر سطوعًا تزيد من الضوضاء الكهربائية، مما يعيق العد، حسبما أفادت التقارير.

الاختراقات التقنية في الكاشف الجديد

جمع الفريق بين كاشف الفوتونات الفردية باستخدام أسلاك نانوية فائقة التوصيل (SNSPDs) وتقنية التعدد، التي تمكن من تقسيم الإشارة إلى قنوات متعددة. النتيجة النهائية هي 1,024 حاوية للكشف.

قال تيمون شابيلر من جامعة بادربورن إن أي عرض سابق لم يستخدم هاتين الطريقتين معًا بهذا الحجم، ووصف هذا الإنجاز بأنه أكبر بمقدار درجة واحدة من أنظمة عد الفوتونات الفردية متعددة التعدد السابقة. يقوم النظام بتقسيم كل نبضة ليزر إلى 128 نبضة بفواصل زمنية أصغر، ثم يرسلها إلى ثمانية كواشف، مما ينتج عنه 1,024 نبضة مشتركة من الفوتونات الأصلية، وفقًا للتقرير. وأشار تيم بارتيلي من جامعة بادربورن إلى أن تقنية البصريات ذات الخسارة المنخفضة تضمن توزيع الضوء بشكل متساوٍ عبر جميع الحاويات.

قام الفريق بتطوير نموذج مبكر مع ماريا سيدوروفا من المعهد الوطني للقياس في ألمانيا، والذي يصف كل عنصر من عناصر الكاشف.

نتائج الاختبار وتحديات الدقة

وفقًا للنسخة الأولية للفريق، فإن الفوتونات التي تم تحليلها بواسطة SNSPDs بشكل فردي هي فقط عدد قليل، وعادة ما تصل إلى خمس فوتونات كحد أقصى. أبلغ عالم فيزياء من جامعة لايدن مؤخرًا عن كاشف فائق مشابه قادر على فصل فوتون واحد أو اثنين أو ثلاثة أو أكثر. لاختبار النظام، قام الفريق بإدخال نبضات ليزر تحتوي على متوسط يتراوح بين فوتون واحد و15,000 فوتون. أفاد الباحثون أن الكاشف قام بقياس نبضات تصل إلى 276 فوتون، مع عدم يقين أقل من فوتون واحد. وقد حسبوا أن الأنظمة التقليدية متعددة التعدد تحتاج إلى حوالي 37,000 عنصر كاشف لتحقيق هذه الدقة.

ومع ذلك، بعد 276 فوتون، يتجاوز عدم اليقين فوتون واحد. تشير النسخة الأولية إلى أنها تبقى تحت حد ضوضاء بواسون عند 4.1 ديسيبل، وهو الضجيج المدمج في ضوء الليزر، حيث يكون عدم اليقين مساوياً لجذر عدد الفوتونات. وهذا يعني أن الرقم 9,000 يشير إلى العد الذي يتجاوز هذا الحد، وليس دقيقًا حتى فوتون واحد. كما أشار المؤلفون إلى أن الدقة محدودة بعيوب الكاشف، خاصةً مشكلة العمى المؤقت لبعض الحاويات، مما يجعلهم ينسبون انحرافًا قدره حوالي 1,000 فوتون إلى ذلك.

تختلف الكفاءة بشكل ملحوظ مع تغير شدة الضوء، بينما تم استخدام نبضات الليزر فقط في هذا الاختبار.

كما استخدم الفريق تقنية تصوير الكاشف الكمي لإعادة بناء استجابة الكاشف بالكامل، وهي طريقة معايرة تعتمد على أعمال حسابية عالية الأداء سابقة. كما تعمل فرق أخرى على توسيع أنظمة SNSPD، بما في ذلك بناء كاشف مكون من 100 قناة في شنغهاي. يخطط الباحثون لتطبيق هذه الكواشف على حالات الضوء الكمومية الساطعة، مما سيمكنها من كشف التأثيرات الكمومية على نطاق واسع، حسبما أفادت التقارير. تم نشر البحث في العدد 13 من مجلة "Optica".

إمكانات تطبيق الكاشف الفوتوني الجديد

تظهر الاختراقات في تقنية كاشف الفوتونات في جامعة بادربورن قدرة قياس دقيقة عند عدّ الفوتونات العالية، مما له أهمية كبيرة في مجالات الاتصالات الكمومية والحوسبة الكمومية. يمكن لهذا الكاشف إجراء قياسات مع عدم يقين أقل من فوتون واحد، مما يدل على إمكانياته في تطبيقات حالات الضوء الكمومية. على الرغم من أن الدقة تتأثر بعد تجاوز 276 فوتون، إلا أن تطوير هذه التقنية لا يزال يؤسس لأساسيات التكنولوجيا الكمومية المستقبلية، وقد يسهم في تعزيز دراسة التأثيرات الكمومية على نطاق أوسع.