Корреляция фотонов с использованием современного оборудования IDQ

Введение

Неважно, занимаетесь ли Вы коммерциализацией квантовых технологий или научными исследованиями в областях квантовых коммуникаций, вычислений или оптики — ID Quantique (IDQ) может предложить необходимое высококлассное оборудование для фотонной корреляции. Будучи ведущим производителем модулей регистрации и счёта фотонов и электронных систем синхронизации, IDQ предоставляет передовое оборудование для точных, быстрых и синхронных измерений с низким уровнем шума и широкими возможностями по регулировке параметров.

Корреляция фотонов

В общем случае несколько фотонов называются коррелированными, если результаты измерения какого-либо параметра для каждого отдельного фотона выборки демонстрируют некоторую внутреннюю взаимосвязь. Например, два коррелированных по времени фотона могут иметь взаимосвязь при измерении времени их прибытия — с большей вероятностью они будут обнаружены одновременно или с одинаковой задержкой по времени. Проявления корреляции многообразны и могут отличаться от одного приложения к другому. Кроме того, корреляцию между фотонами нельзя описать в рамках классической физики, что приводит к понятию квантовой корреляции.

Оборудование IDQ для фотонной корреляции

Основа установки для измерения корреляции фотонов (см. рис. 1) состоит из двух детекторов одиночных фотонов и счётчика коррелированных по времени фотонов (TCSPC). Для этого IDQ предлагает использовать серию детекторов ID Qube и контроллер времени ID1000.

Рисунок 1. Схема для измерения корреляции фотонов

Детекторы ID Qube представлены двумя моделями с частотой темновых отсчётов до 800 Гц. Для работы в квантово-коммуникационных приложениях предлагается версия Gated с частотой стробирования до 100 МГц и разрешением 150 пс. В свою очередь, версия NIR Free-Running отлично подойдёт для измерений фотонной корреляции.

Контроллер времени ID1000 с пикосекундным разрешением и программируемыми выходами послужит отличным дополнением к детекторам ID Qube. ID1000 доступен в двух конфигурациях, способных надёжно и эффективно решать широкий спектр современных исследовательских задач: TCSPC и MASTER.

Применения корреляции фотонов

Характеристика источника одиночных фотонов

Идеальный источник одиночных фотонов должен генерировать чистые одиночные фотоны, то есть такое квантовое состояние света, которое содержит только однофотонное фоковское состояние |1⟩. Однако же реальные источники одиночных фотонов на такое не способны, поэтому в квантовом состоянии света от реального источника всегда присутствует небольшая доля многофотонных состояний (|2⟩ и более). По этой причине важной характеристикой источников является их чистота, иными словами, доля многофотонных состояний в испускаемом свете.

В эксперименте Хэнбери Брауна и Твисса непосредственно измеряется чистота состояний. Для этого излучение источника одиночных фотонов перераспределяется с помощью светоделителя между двумя детекторами (см. рис. 2). Если теперь построить гистограмму срабатываний фотодетекторов от разницы во времени между срабатываниями, то можно заметить, что одновременной регистрации фотонов двумя детекторами практически не происходит. Подобная взаимосвязь называется антикорреляцией и объясняется тем, что источник должен генерировать не более одного фотона за раз. Тем не менее, присутствует некоторое количество одновременных срабатываний детекторов — их можно объяснить несовершенством источника.

Похожая схема может быть использована для определения неразличимости фотонов в эксперименте Хонга-У-Мандела.

Рисунок 2. Установка для измерения чистоты квантовых состояний

Фотонная корреляционная спектроскопия

Рассмотрим рассеянный свет от образца (раствора или газа), содержащего нанометровые или микрометровые частицы (см. рис. 3). Из-за броуновского движения частиц будут наблюдаться флуктуации во времени прибытия рассеянных фотонов. Для маленьких частиц характерны быстрые флуктуации, для более крупных — медленные.

Рисунок 3. Схема для фотонной корреляционной спектроскопии

Из данных о рассеянном свете можно восстановить функцию автокорреляции и определить размер частиц по доминирующим частотам флуктуаций. Для измерения быстрых флуктуаций важно очень высокое временное разрешение. Использование оборудования IDQ обеспечивает пикосекундную точность фотонной корреляционной спектроскопии.

Фотонная корреляция для метрологии — LiDAR

Корреляция фотонов успешно применяется в LiDAR-приложениях для улучшения отношения сигнал/шум, что позволяет обнаруживать препятствия даже в условиях очень плохой видимости. LiDAR посылает короткие, яркие импульсы, так что приёмник получает множество рассеянных фотонов в течении малого временного окна. При этом рассеяние от тумана, дождя или снега приводит к более равномерному распределению фотонов по времени прибытия. Для использования LiDAR на больших расстояниях требуется обнаруживать несколько фотонов и различать между собой рассеянные фотоны от диффузных (туман и т. д.) и от твёрдых объектов (люди, животные, деревья и т. д.). Корреляция оказывается удобным инструментом для решения задачи. Если использовать некоторый порог обнаружения (2 и более, 3 и более фотонов и т. д.), можно почти полностью исключить вклад от диффузных объектов (см. рис. 4).

Рисунок 4. График сигнала детектора в зависимости от времени с отмеченным порогом обнаружения

Компания INSCIENCE является поставщиком оборудования и готовых решений для фотонной корреляции и помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции ID Quantique.