Fotoni: strisce superconduttrici per un conteggio impeccabile

I progressi nei rilevatori di nanostrisce superconduttrici hanno raggiunto una risoluzione ad alta fedeltà del numero di fotoni reali fino a 10, segnando un salto significativo nella tecnologia dell’informazione quantistica

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Fotoni: strisce superconduttrici per un conteggio impeccabile
Fotoni: strisce superconduttrici per un conteggio impeccabile

I progressi nei rilevatori di nanostrisce superconduttrici hanno raggiunto una risoluzione ad alta fedeltà del numero di fotoni reali fino a 10, segnando un salto significativo nella tecnologia dell’informazione quantistica.

Rivelatore superconduttore a microstriscia con risoluzione del numero di fotoni. Credito: Kong (SIMIT)
Rivelatore superconduttore a microstriscia con risoluzione del numero di fotoni. Credito: Kong (SIMIT)

L’uso di singoli fotoni come qubit è diventata una strategia importante nella tecnologia dell’informazione quantistica. Determinare con precisione il numero è fondamentale in vari sistemi quantistici, tra cui il calcolo quantistico, la comunicazione e la metrologia.

I rilevatori di risoluzione del numero di fotoni (PNRD) svolgono un ruolo fondamentale nel raggiungimento di questa precisione e hanno due principali indicatori di prestazione: la fedeltà di risoluzione, che misura la probabilità di registrare accuratamente il numero di fotoni incidenti, e la gamma dinamica, che descrive il massimo fotone risolvibile. 

Sfide nella risoluzione del numero di fotoni

I rilevatori di fotone singolo superconduttori su nanostriscia (SNSPD), sono considerati la tecnologia leader per il rilevamento degli stessi. Offrono efficienza quasi perfetta e prestazioni ad alta velocità. Tuttavia, quando si tratta di risoluzione del numero, i PNRD basati su SNSPD hanno faticato a trovare un equilibrio tra fedeltà e gamma dinamica. Gli SNSPD esistenti in stile array, che dividono i fotoni incidenti tra un numero limitato di pixel, devono affrontare vincoli di fedeltà. Questi rilevatori sono quindi indicati come quasi-PNRD.

Gli SNSPD funzionano rompendo la superconduttività locale di una striscia stretta, raffreddata e polarizzata dalla corrente quando un fotone viene assorbito. Questo crea una regione resistiva locale chiamata hotspot e la corrente risultante viene deviata attraverso un resistore di carico, generando un impulso di tensione rilevabile, pertanto, un SNSPD con una striscia superconduttrice sufficientemente lunga può essere visto come una cascata di migliaia di elementi.



N-fotoni che attivano simultaneamente diversi elementi dovrebbero generare n-punti caldi non sovrapposti. Tuttavia, gli SNSPD convenzionali combinati con letture criogeniche modificate possono risolvere solo 3-4 numeri di essi, risultando in un basso intervallo dinamico.

Risoluzione del numero di fotoni in un SMSPD: (a) Istogrammi (punti) e adattamento gaussiano (linee) del tempo del fronte di salita degli impulsi di risposta sotto illuminazione laser pulsata. Credito: Kong, Zhang et al., doi 10.1117/1.AP.6.1.016004
Risoluzione del numero di fotoni in un SMSPD: (a) Istogrammi (punti) e adattamento gaussiano (linee) del tempo del fronte di salita degli impulsi di risposta sotto illuminazione laser pulsata. Credito: Kong, Zhang et al., doi 10.1117/1.AP.6.1.016004

Progressi nella capacità di risoluzione del numero di fotoni

Come riportato sulla rivista Advanced Photonics, i ricercatori dell’Istituto di microsistemi e tecnologia dell’informazione di Shanghai (SIMIT), Accademia cinese delle scienze, hanno compiuto progressi nel migliorare la capacità di risoluzione del numero di fotoni degli SNSPD. Aumentando la larghezza della striscia o l’induttanza totale, sono riusciti a superare i limiti di banda e il jitter temporale nell’elettronica di lettura. Questo ha comportato fronti di salita allungati e un migliore rapporto segnale-rumore negli impulsi di risposta, con conseguente maggiore fedeltà di lettura.

Ampliando la striscia superconduttiva su scala micrometrica, i ricercatori hanno presentato la prima osservazione della risoluzione del numero di fotoni reali fino a 10 utilizzando il rilevatore di fotone singolo a microstriscia superconduttiva (SMSPD). Sorprendentemente, hanno ottenuto questi risultati anche senza l’uso di amplificatori criogenici. La fedeltà di lettura ha raggiunto un impressionante 98% per eventi a 4 fotoni e 90% per eventi a 6.

L'avvento di strisce superconduttrici espanse rivoluziona il conteggio dei fotoni, aprendo nuove possibilità nella comunicazione e computazione quantistica.
L’avvento di strisce superconduttrici espanse rivoluziona il conteggio dei fotoni, aprendo nuove possibilità nella comunicazione e computazione quantistica.

Innovazioni nella lettura del numero di fotoni in tempo reale

I ricercatori hanno proposto, inoltre, una configurazione di temporizzazione a doppio canale per consentire la lettura del numero di fotoni in tempo reale. Questo approccio ha ridotto significativamente i requisiti di acquisizione dei dati di tre ordini di grandezza e ha semplificato la configurazione della lettura. Hanno dimostrato anche l’utilità del loro sistema nella tecnologia dell’informazione quantistica creando un generatore quantistico di numeri casuali basato sul campionamento della parità di uno stato coerente.

Questa tecnologia garantisce imparzialità, robustezza contro le imperfezioni sperimentali e il rumore ambientale, e la resistenza alle intercettazioni.

La nuova scoperta rappresenta un progresso significativo nel campo dei PNRD. Con un ulteriore miglioramento dell’efficienza di rilevamento degli SMSPD. Questa tecnologia potrebbe diventare facilmente accessibile per varie applicazioni di informazione quantistica ottica. I risultati ottenuti evidenziano il potenziale degli SNSPD o SMSPD per ottenere una risoluzione del numero di fotoni ad alta fedeltà e ad ampio raggio dinamico.

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