Что, если более широкие провода будут ловить больше фотонов? СНСПД NIST в 100 раз шире перестраивают квантовое детектирование

Боулдер, Колорадо. Каждое мгновение Вселенная посылает нам поток фотонов. Эти крошечные квантовые пакеты света повсюду, и большинство из них пролетают мимо, не оставляя следа. Для исследователей, работающих над квантовыми вычислениями, визуализацией глубоких тканей и дальней космической связью, поймать хотя бы один фотон может означать разницу между большим шагом вперед и упущенной возможностью.

Детекторы одиночных фотонов относятся к числу самых чувствительных приборов, когда-либо созданных человеком. Сверхпроводниковые нанопроволочные детекторы одиночных фотонов, или СНСПД, на данный момент лидируют в этой области. Они работают на основе сверхпроводимости, состояния, при котором электрический ток течет без сопротивления. Когда фотон попадает на сверхтонкий сверхпроводниковый провод, он создает крошечное горячее пятно, которое нарушает ток и вызывает электрический импульс. Этот импульс является безошибочным признаком одной-единственной частицы света. NIST постоянно совершенствовал эти устройства, и сегодня они способны улавливать почти 98 процентов падающих фотонов.

Долгое время главным ограничением оставался размер. Стандартный СНСПД использует провод шириной около 100 нанометров, что примерно в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Преобладающая логика была проста. Энергия фотона должна нарушить сверхпроводимость по всей ширине провода. Если бы провод был шире, всплеск от фотона распространился бы слишком тонко, и сигнал исчез бы. Это допущение удерживало конструкцию проводов на наномасштабе.

Наномасштабные провода работают, но у них есть и реальные сложности. Они требуют высокоспециализированных методов изготовления. Ток, протекающий по ним, не идеально однороден, поскольку крошечные дефекты приводят к накоплению заряда у краев, как водовороты в реке. Эти краевые эффекты создают ложные сигналы, известные как темновые отсчеты. Они также ограничивают рабочий ток, поэтому фотонам с низкой энергией достается лишь слабый импульс. Именно эту задачу NIST и хотел решить.

В новой конструкции рядом с центральным проводом добавлены два сверхпроводниковых электрода в виде шин. Шины проводят ток в одном направлении, и их магнитные поля работают вместе с полем основного провода. Это объединенное поле выравнивает распределение тока и предотвращает нежелательное накопление заряда по краям. Благодаря более равномерному потоку провод может выдерживать гораздо больший ток. В результате горячее пятно от фотона можно обнаружить на гораздо большей площади. Детектор также может работать ближе к точке сверхпроводящего перехода, а это значит, что даже фотоны с очень низкой энергией оставляют четкий читаемый сигнал.

Результаты означают огромный скачок в масштабе. Команда продемонстрировала провода шириной до десятой доли миллиметра, что более чем в 100 раз шире обычных СНСПД. Возможно, будут созданы и еще более широкие провода. Новая архитектура также проще в изготовлении, что может сделать большие детекторы гораздо более практичными. К тому же эта широкая версия нечувствительна к поляризации, то есть работает независимо от того, в каком направлении колеблется электрическое поле фотона.

Одним из самых удивительных результатов стало снижение темновых отсчетов. Команда зафиксировала сокращение ложных сигналов в миллиард раз, что стало новым рекордом. Постдокторант NIST Кристен Парзуховски вспоминает тот момент в лаборатории. «Мы звали в комнату других членов нашей группы и говорили им: "Посмотрите на это, это безумие!"»

Потенциальные области применения очень широки. В биомедицинской визуализации диффузная корреляционная спектроскопия пропускает свет через ткани человека и анализирует рассеянный свет для измерения кровотока. Более эффективный захват фотонов может сделать эти измерения быстрее и надежнее. В астрономии слабый низкоэнергетический свет позволяет изучать далекие галактики и искать темную материю. В квантовых сетях и дальней космической связи каждый фотон может нести информацию, поэтому захват большего числа фотонов означает более сильные и четкие сигналы.

Прежде чем эти сверхкрупные детекторы смогут похвастаться 98-процентной эффективностью лучших наномасштабных версий, предстоит провести еще больше испытаний. Новая работа уже доказывает главное. Сверхпроводниковым проводам не обязательно быть крошечными, чтобы достичь внутренних пределов материала. NIST указал путь к новому поколению детекторов фотонов, которые проще в изготовлении, исключительно тихие и готовы поймать почти каждый слабый фотон, что посылает нам Вселенная.