パデボーン大学が新型光子探測器を開発し、276光子の計数誤差を1光子未満に実現

パデボーン大学の研究チームは、9,000個以上の光子パルスを計算でき、1光子未満の不確実性で最大276個の光子パルスを測定できる光子探測器を構築したと、『Optica』のプレスリリースで報告している。光子の数が増えるにつれて、光子を計算する難易度も上がる。多くの単光子探測器、例えば半導体アバランシェフォトダイオードは、光が到達したかどうかは示せるが、何個の光子があるかは示せない。より明るい光のために設計された探測器は、電気ノイズを増加させ、計数を曖昧にすることが報告されている。

新型探測器の技術的突破口

このチームは、超伝導ナノワイヤ単光子探測器（SNSPD）と多重化技術を組み合わせ、この技術により信号を複数のチャネルに分割できる。最終的な結果は1,024個の探測ビンである。

パデボーン大学のティモン・シャペラー（Timon Schapeler）は、以前のどのデモもこの規模でこれら2つの方法を同時に使用したことはないと述べ、この成果は従来の多重化単光子計数システムよりも1桁大きいと形容した。このシステムは、各レーザーパルスを128個の時間的に間隔の短いパルスに分割し、それを8つの探測器に送信することで、1,024個の共有原光子のパルスを生成したと報告されている。パデボーン大学のティム・バートリー（Tim Bartley）は、低損失光学技術により光が各ビンに均等に分配されることを可能にしたと述べた。

このチームは、ドイツ国立計量院のマリア・シドロワ（Mariia Sidorova）と早期に構築したモデルを用いて、各探測器要素を記述した。

テスト結果と精度の課題

チームのプレプリントによると、SNSPDが単独で解析できる光子は数個で、通常は最大5個である。ライデン大学の物理学者は最近、1個、2個、3個またはそれ以上の光子を分離できる類似の超伝導探測器を報告した。このシステムをテストするために、チームは平均して1から15,000個の光子のレーザーパルスを投入した。研究者たちは、探測器が最大276個の光子のパルスを測定し、その不確実性が1光子未満であることを示した。彼らは、従来の多重化システムがこの精度を達成するためには約37,000個の探測器要素を必要とすることを計算した。

しかし、276個の光子を超えると、不確実性は1光子を超える。プレプリントでは、4.1デシベル以上でポアソンノイズの制限を下回っていることが維持されていると指摘されており、これはレーザー光に内在するノイズであり、不確実性は光子の数の平方根に等しい。これは、9,000という数値がこの制限を超える計数を指しており、1光子の計数に正確でないことを意味する。著者たちはまた、精度が探測器の欠陥、特に一部のビンの一時的な盲点に制約されているため、約1,000個の光子以上の偏差をこれに帰属させていると述べている。

効率は光強度の変化により大きく異なり、今回のテストではレーザーパルスのみが使用された。

チームはまた、量子探測器イメージング技術を利用して、全探測器の応答を再構築した。これは、以前の高性能計算作業に基づくキャリブレーション方法である。他のチームもSNSPDシステムを拡張しており、上海に建設中の100チャネル探測器を含んでいる。研究者たちは、これらの探測器を明るい量子光状態に応用する計画を立てており、これにより大規模な量子効果を明らかにすることができると報告されている。この研究論文は『Optica』第13巻に発表された。

新型光子探測器の応用可能性

パデボーン大学の光子探測器技術の突破は、高光子計数下での精密測定能力を示しており、量子通信や量子計算などの分野において重要な意義を持つ。この探測器は、1光子未満の不確実性で測定を行うことができ、量子光状態における応用の可能性を示している。276個の光子を超えると精度が影響を受けるものの、この技術の発展は将来の量子技術の基礎を築くものであり、より大規模な量子効果の研究を促進する可能性がある。