Bagaimana Jika Kawat yang Lebih Besar Menangkap Lebih Banyak Foton? SNSPD NIST yang 100 Kali Lebih Lebar Merombak Deteksi Kuantum

Boulder, Colorado, Sumber: Setiap saat, alam semesta mengirimkan banjir foton ke arah kita. Paket cahaya kuantum yang mungil ini ada di mana-mana, dan sebagian besar terbang tanpa jejak. Bagi para peneliti yang bekerja pada komputasi kuantum, pencitraan jaringan dalam, dan komunikasi luar angkasa, menangkap satu foton saja bisa berarti perbedaan antara langkah maju yang besar dan peluang yang terlewat.

Detektor foton tunggal adalah salah satu instrumen paling sensitif yang pernah dibuat. Detektor foton tunggal kawat nano superkonduktor, atau SNSPD, adalah pemimpin saat ini di bidang ini. Mereka memanfaatkan superkonduktivitas, kondisi saat arus listrik mengalir tanpa hambatan. Ketika sebuah foton mengenai kawat superkonduktor yang sangat tipis, ia menciptakan titik panas kecil yang mengganggu arus dan memicu pulsa listrik. Pulsa itu adalah tanda yang tidak salah lagi dari satu partikel cahaya. NIST terus menyempurnakan perangkat ini, dan saat ini mereka dapat menangkap hampir 98 persen foton yang datang.

Untuk waktu yang lama, kendala utamanya adalah ukuran. SNSPD standar menggunakan kawat selebar sekitar 100 nanometer, kira-kira seperseribu lebar rambut manusia. Logika yang berlaku itu sederhana. Energi foton harus memecah superkonduktivitas di seluruh lebar kawat. Jika kawat lebih lebar, percikan foton akan menyebar terlalu tipis dan sinyalnya akan hilang. Asumsi itu membuat desain kawat tetap terpaku pada skala nano.

Kawat skala nano memang berfungsi, tetapi juga memiliki komplikasi nyata. Mereka membutuhkan metode fabrikasi yang sangat khusus. Arus yang mengalir melaluinya tidak seragam sempurna, karena cacat kecil membuat muatan menumpuk di dekat tepi, mirip dengan pusaran di sungai. Efek tepi ini menciptakan sinyal palsu yang dikenal sebagai dark count. Mereka juga membatasi arus operasi, sehingga foton berenergi rendah hanya menghasilkan pulsa redup. Hal itulah yang menjadi teka-teki yang ingin dipecahkan NIST.

Desain baru mereka menambahkan dua elektroda rel superkonduktor di samping kawat pusat. Rel tersebut membawa arus dalam arah yang sama, dan medan magnetnya bekerja bersama dengan medan kawat utama. Medan gabungan itu meratakan distribusi arus dan mencegah penumpukan tepi yang tidak diinginkan. Dengan aliran yang lebih seragam, kawat dapat menangani arus yang jauh lebih besar. Hasilnya, titik panas foton dapat dideteksi di area yang jauh lebih luas. Detektor juga dapat beroperasi lebih dekat ke titik transisi superkonduktor. Artinya, bahkan foton berenergi sangat rendah pun meninggalkan sinyal yang jernih dan terbaca.

Hasilnya adalah lompatan besar dalam skala. Tim menunjukkan kawat selebar sepersepuluh milimeter, lebih dari 100 kali lebih lebar daripada SNSPD konvensional. Bahkan kawat yang lebih besar pun seharusnya mungkin dibuat. Arsitektur baru ini juga lebih mudah dibuat, yang bisa membuat detektor besar jauh lebih praktis. Versi lebar ini juga tidak sensitif terhadap polarisasi, sehingga berfungsi tidak peduli ke arah mana medan listrik foton bergetar.

Salah satu hasil yang paling mengejutkan adalah penurunan dark count. Tim mencatat pengurangan sinyal palsu hingga satu miliar kali lipat, sebuah rekor baru. Peneliti pascadoktoral NIST, Kristen Parzuchowski, mengenang momen di laboratorium. "Kami memanggil beberapa orang lain di kelompok kami ke dalam ruangan, memberi tahu mereka, 'Lihat ini, ini gila!'"

Potensi penerapannya sangat luas. Dalam pencitraan biomedis, spektroskopi korelasi difus mengirim cahaya melalui jaringan manusia dan menganalisis cahaya yang tersebar untuk mengukur aliran darah. Penangkapan foton yang lebih efisien dapat membuat pembacaan tersebut lebih cepat dan lebih andal. Dalam astronomi, cahaya redup berenergi rendah adalah cara kita mempelajari galaksi jauh dan berburu materi gelap. Dalam jaringan kuantum dan komunikasi luar angkasa, setiap foton dapat membawa informasi, jadi menangkap lebih banyak foton berarti sinyal yang lebih kuat dan lebih jelas.

Masih banyak pengujian yang tersisa sebelum detektor berukuran super ini dapat mengklaim efisiensi 98 persen dari versi skala nano terbaik. Pekerjaan baru ini sudah membuktikan satu poin penting. Kawat superkonduktor tidak harus berukuran kecil untuk mencapai batas intrinsik material. NIST telah menunjukkan jalan menuju generasi baru detektor foton yang lebih mudah dibuat, sangat tenang, dan siap menangkap hampir setiap foton redup yang dikirim alam semesta ke arah kita.