Японские физики создали сверхпроводящий детектор одиночных фотонов шириной 20 микрометров. Вне зависимости от поляризации эффективность регистрации фотонов в нем составляет около 78 процентов, говорится в статье, опубликованной в журнале Optica Quantum.
Однофотонные детекторы — одна из ключевых технологий в квантовой оптике и информатике. Например, они используются для передачи и шифрования информации. Чаще всего в качестве однофотонных детекторов используют сверхпроводящие проволочки, имеющие характерную толщину порядка сотни нанометров.
Такие детекторы имеют ряд ограничений, начиная от сложности производства и заканчивая зависимостью эффективности регистрации фотонов от их поляризации. Эти проблемы могут быть решены при увеличении толщины сверхпроводящих полосок до нескольких микрометров. Однако регистрация одиночных фотонов в сверхпроводящих детекторах с характерной толщиной в несколько десятков микрометров — до сих пор сложная задача. Основной проблемой на этом пути является рост темнового тока при увеличении толщины детекторов.
Физики под руководством Масахиро Ябуно (Masahiro Yabuno) из Национального института информации и коммуникационных технологий в Кобе представили первый широкий сверхпроводящий однофотонный детектор на основе нитрида ниобия титана NbTiN. Его ширина составила 20 микрометров, а проблему темнового тока ученые решили, изменив структуру детектирующей полоски. В новом детекторе создавалось сразу два разных критических тока, причем краевые области имели более высокие критические токи, чем центральная. Такая структура блокирует вихревое проникновение токов в центральную область, тем самым уменьшая темновой счет. Это позволяет равномерно приложить более высокий ток смещения к центральной области полосы. При этом боковые области полосы не задействованы при регистрации фотонов, что уменьшает влияние на характеристики детектора возможных краевых дефектов, возникающих при производстве.
Концептуальная схема однофотонного детектора нового типа
Чтобы добиться такой структуры, физики облучали центральную область полоски нитрида ниобия титана пучком ионов аргона. Такая процедура эффективно снижает критическую температуру и максимальный ток в тонкой сверхпроводящей полосе. Ученые отмечают, что на сегодняшний день неизвестно, почему пучок ионов аргона так действует на сверхпроводящую полоску. Однако при помощи такого метода Ябуно с коллегами создали образец однофотонного детектора с новой сверхпроводящей структурой.
Ученые сравнили характеристики нового детектора с детектором такой же ширины, изготовленным обычным способом, а также с детектором, который подвергся облучению ионами аргона по всей ширине. Во всех случаях физики облучали детекторы фотонами с длиной волны 1550 нанометров. Эксперименты производились при двух температурах 0,76 и 2,2 кельвин. В обоих случаях в детекторе с новой структурой удалось приложить более высокие токи смещения и выйти на плато по эффективности регистрации фотонов без неконтролируемого роста темнового счета. После оптимизации нового детектора удалось достичь 78 процентов эффективности регистрации одиночных фотонов при уровне около 80 шумовых отсчетов в секунду при температуре 0,76 кельвин. При этом из-за большой ширины детектора, эффективность регистрации фотонов не зависела от их поляризации.
Эффективность регистрации и темновой ток нового типа детектора с оптимизированной оптической структурой
Такая технология может упростить и удешевить производство однофотонных детекторов, необходимых для квантовых вычислений. Другое направление развития таких детекторов — увеличение их пропускной способности. Ранее мы рассказывали, как однофотонный детектор научили считать до четырех.