Масштабируемый детектор одиночных фотонов с улучшенной эффективностью и разрешением по числу фотонов

Введение

Сверхпроводящие нанопроволочные детекторы одиночных фотонов (SNSPD) с момента своего появления заняли ключевую позицию в развитии квантовых технологий, включая квантовую связь, квантовые вычисления, квантовую метрологию. Такие детекторы предлагают высокую эффективность обнаружения, низкий уровень шума и возможность разрешения по числу фотонов. Среди недостатков однопиксельных SNSPD: ограничение максимальной скорости регистрации фотонов, а также существенное усложнение архитектуры управления при увеличении числа пикселей. 

В статье представлен новый подход к созданию SNSPD с параллельной архитектурой, снимающий упомянутые ограничения. Авторы исследования демонстрируют 28-пиксельный SNSPD, сохраняющий высокую эффективность обнаружения и малый временной джиттер при высокой скорости счёта, используя при этом единственный коаксиальный кабель для считывания сигналов.

Новый 28-пиксельный SNSPD изготовлен на основе сверхпроводящего материала NbTiN с толщиной слоя 9 нм. Нанопроволоки шириной 100 нм и с шагом 100 нм расположены в плоскости специальным образом, формируя чередующуюся структуру для достижения равномерного освещения чувствительных элементов (см. рисунок 1).

Рисунок 1  – СЭМ-изображение чередующейся структуры нанопроволок 

СЭМ-изображение устройства приведено на рисунке 2. Детектор помещён в криостат (ID281, ID Quantique) при температуре 0,8 °К. Для минимизации перекрёстных тепловых и электрических помех устройство дополнено микропроводниками и резисторами. Архитектура управления подразумевает параллельное подключение пикселей, позволяя считывать сигналы посредством одного коаксиального кабеля. 

Рисунок 2  – СЭМ-изображение устройства SNSPD

Детектор демонстрирует максимальную эффективность обнаружения одиночных фотонов на уровне 88%, а высокие (не менее 50%) показатели сохраняются вплоть до скорости счёта до 200 миллионов отсчётов в секунду (Mcps). При этом за счёт использования оптимизированной электронной схемы управления временной джиттер не превышает 80 пс вплоть до 200 Mcps. Максимальная же скорость счёта в 1,3 миллиарда отсчётов в секунду (Gcps) достигнута при использовании установки из четырёх новых детекторов с оптическим делителем пучка. В результате эти характеристики вместе позволяют добиться значительного преимущества новой архитектуры перед традиционными SNSPD в области высоких скоростей счёта. 

Рисунок 3 – Графики зависимости эффективности обнаружения (а) и джиттера (б) от скорости счета для стандартных однопиксельных SNSPD и 28-пиксельного P-SNSPD

 Разрешение детектора по числу фотонов (PNR) дополняет указанное превосходство, обеспечивая эффективность обнаружения многомодовых состояний 75% для двух фотонов и 62% для трёх фотонов. За счёт параллельной архитектуры информация о числе фотонов в регистрируемом излучении кодируется в амплитуде выходного сигнала детектора, что гарантирует точность определения числа фотонов для коротких световых импульсов (менее 300 пс) с частотой повторения до 40 МГц.

Заключение

Характеристики разработанного 28-пиксельного SNSPD с параллельной архитектурой продемонстрировали сочетание высокой эффективности обнаружения и малого джиттера при скоростях счёта до 200 Mcps, а также рекордных показателей точности и быстродействия PNR по сравнению с альтернативными методиками. Новая технология за счёт масштабируемости и удобства в использовании расширяет перспективы применения SNSPD для квантовых сетей и высокоскоростных квантовых вычислений.

Источник: Stasi L. et al. High photon-number efficiencies with a fast 28-pixel parallel SNSPD //arXiv preprint arXiv:2406.15312. – 2024.

 Компания INSCIENCE является поставщиком решений для исследований в области квантовых вычислений и квантовой связи.