- 帕德博恩大學研製的光子探測器可計算超過 9,000 顆光子脈衝。
- 該系統能在不確定性低於一顆光子的情況下測量高達 276 顆光子。
- 研究團隊結合超導納米線單光子探測器與多路復用技術。
- 探測器的準確性受限於某些 bins 的暫時失明問題。
帕德博恩大學的研究團隊建立了一種光子探測器，能夠計算超過 9,000 顆光子的脈衝，並在不確定性低於一顆光子的情況下測量高達 276 顆光子的脈衝，根據《Optica》新聞稿的內容。隨著光子數量的增加，計算光子的難度也隨之上升。許多單光子探測器，包括半導體雪崩光電二極體，僅能顯示光是否到達，而無法顯示有多少光子。為更亮的光設計的探測器會增加電噪聲，模糊計數，報告指出。
新型探測器的技術突破
該團隊將超導納米線單光子探測器（SNSPDs）與多路復用技術相結合，此技術能夠將信號分割到多個通道中。最終結果是 1,024 個探測 bins。
帕德博恩大學的蒂門·沙佩勒（Timon Schapeler）表示，之前的任何示範都未在如此規模上同時使用這兩種方法，他形容這一成就比以往的多路復用單光子計數系統大一個數量級。該系統將每個鐳射脈衝分割成 128 個時間上間隔較小的脈衝，然後將其發送到八個探測器，根據報告，這樣產生了 1,024 個共享原始光子的脈衝。帕德博恩大學的蒂姆·巴特利（Tim Bartley）表示，低損耗光學技術使得光均勻分佈在各個 bins 中。
該團隊與德國國家計量院的瑪莉亞·西多羅娃（Mariia Sidorova）早期建立的模型描述了每個探測器元件。
測試結果與準確性挑戰
根據團隊的預印本，SNSPDs 單獨解析的光子僅為數顆，通常最多可達五顆。萊頓大學的一位物理學家最近報告了一種類似的超導探測器，能夠分離一顆、兩顆和三顆或更多光子。為了測試該系統，團隊將平均介於一到 15,000 顆光子的鐳射脈衝送入其中。研究人員表示，探測器測量到高達 276 顆光子的脈衝，其不確定性低於一顆光子。他們計算出，傳統的多路復用系統需要約 37,000 個探測器元件才能達到這一精度。
然而，超過 276 顆光子後，不確定性會超過一顆光子。預印本指出，它在 4.1 分貝以上保持在泊松噪聲限製以下，這是鐳射光內建的噪聲，其中不確定性等於光子數量的平方根。這意味著 9,000 的數字指代的計數超過了這一限製，而不是準確到一顆光子的計數。作者還表示，準確性受限於探測器的缺陷，特別是某些 bins 的暫時失明，這使得他們將大約 1,000 顆光子以上的偏差歸因於此。
效率隨光強度的變化而顯著不同，而此次測試僅使用了鐳射脈衝。
該團隊還利用量子探測器成像技術重建了整個探測器的響應，這是一種校準方法，基於早期的高性能計算工作。其他團隊也在擴展 SNSPD 系統，包括在上海建造的一個 100 通道探測器。研究人員計劃將這些探測器應用於明亮的量子光狀態，報告指出，這將使其能夠揭示大規模的量子效應。該研究論文發表於《Optica》期刊第 13 卷。
新型光子探測器的應用潛力
帕德博恩大學的光子探測器技術突破，顯示出在高光子計數下的精確測量能力，對於量子通信及量子計算等領域具有重要意義。這種探測器能夠在不確定性低於一顆光子的情況下進行測量，顯示出其在量子光狀態的應用潛力。儘管在超過 276 顆光子後準確性會受到影響，但該技術的發展仍然為未來的量子技術奠定了基礎，並可能促進更大規模的量子效應的研究。