Précision quantique décuplée : bandes supraconductrices élargies pour une détection optimisée des photons

Concept artistique de capteur photonique quantique

Les progrès réalisés dans les détecteurs nanostrip supraconducteurs ont permis une résolution de nombre de photons de haute fidélité jusqu’à 10 photons, marquant un saut significatif dans la technologie de l’information quantique.

Des bandes supraconductrices plus larges permettent une meilleure résolution du nombre de photons, avec une plus grande plage dynamique et fidélité.

L’utilisation de photons uniques en tant que qubits est devenue une stratégie importante dans la technologie de l’information quantique. Déterminer précisément le nombre de photons est crucial dans divers systèmes quantiques, y compris les calculs quantiques, les communications quantiques et la métrologie quantique. Les détecteurs de résolution du nombre de photons (PNRDs) jouent un rôle vital dans l’obtention de cette précision et présentent deux indicateurs de performance principaux : la fidélité de résolution, qui mesure la probabilité d’enregistrer précisément le nombre de photons incidents, et la plage dynamique, qui décrit le nombre de photons résolus maximum.

Des défis en matière de résolution du nombre de photons

Les détecteurs de photons uniques nanostrip supraconducteurs (SNSPDs) sont considérés comme la technologie de pointe pour la détection de photons uniques. Ils offrent une efficacité quasi-parfaite et des performances à haute vitesse. Cependant, en ce qui concerne la résolution du nombre de photons, les PNRDs basés sur les SNSPD ont eu du mal à trouver un équilibre entre la fidélité et la plage dynamique. Les SNSPD en forme d’array, qui répartissent les photons incidents parmi un nombre limité de pixels, rencontrent des contraintes de fidélité. Ces détecteurs sont donc appelés des quasi-PNRDs.

Détecteur de résolution du nombre de photons en microstrip supraconducteur

Détecteur de résolution du nombre de photons en microstrip supraconducteur. Crédit : Kong (SIMIT)

Les SNSPD fonctionnent en rompant la supraconductivité locale d’une bande étroite, refroidie et polarisée en courant, lorsqu’un photon est absorbé. Cela crée une région résistive locale appelée hotspot, et le courant résultant est dévié à travers une résistance de charge, générant une impulsion de tension détectable. Par conséquent, un SNSPD avec une bande supraconductrice suffisamment longue peut être considéré comme une cascade de milliers d’éléments, et l’activation simultanée par n photons d’éléments différents devrait générer n hotspots non superposables. Cependant, les SNSPD conventionnels associés à des lectures cryogéniques modifiées ne peuvent résoudre que 3 à 4 nombres de photons, ce qui entraîne une faible plage dynamique.

Progrès dans la capacité de résolution du nombre de photons

Comme rapporté dans Advanced Photonics, des chercheurs de l’Institut de microsystèmes et d’information de Shanghai (SIMIT), de l’Académie chinoise des sciences, ont progressé dans l’amélioration de la capacité de résolution du nombre de photons des SNSPD. En augmentant la largeur de la bande ou l’inductance totale, ils ont pu surmonter les limitations de bande passante et le brouillage temporel dans l’électronique de lecture. Cela a abouti à des bords de montée allongés et à un rapport signal/bruit amélioré dans les impulsions de réponse, et donc à une fidélité de lecture améliorée.

En élargissant la bande supraconductrice à l’échelle micrométrique, les chercheurs ont présenté la première observation d’une résolution réelle du nombre de photons jusqu’à 10 en utilisant le détecteur de photons uniques en microstrip supraconducteur (SMSPD). Étonnamment, ils ont obtenu ces résultats même sans utiliser d’amplificateurs cryogéniques. La fidélité de lecture a atteint un impressionnant 98 pour cent pour les événements à 4 photons et 90 pour cent pour les événements à 6 photons.

Résolution du nombre de photons dans un SMSPD

Résolution du nombre de photons dans un SMSPD : (a) Histogrammes (points) et ajustement gaussien (lignes) de la durée d’élévation des impulsions de réponse sous illumination laser pulsée avec un nombre moyen effectif de photons à 2,5 et 5,1. Les zones colorées représentent les fonctions gaussiennes décomposées. (b) Matrice de confusion illustrant les probabilités d’assigner n photons détectés à m photons rapportés, où les termes diagonaux représentent la fidélité de lecture du nombre de photons. (c) Statistiques de comptage de photons reconstruites à partir des distributions de la durée d’élévation des impulsions avec un nombre moyen effectif de photons variant de 0,05 à 5. Les statistiques de comptage de photons mesurées (barres de couleur) s’alignent étroitement avec les statistiques de Poisson de la source cohérente (lignes en pointillés). Crédit : Kong, Zhang, et al., doi 10.1117/1.AP.6.1.016004

Innovations dans la lecture en temps réel du nombre de photons

De plus, les chercheurs ont proposé une configuration de synchronisation à deux canaux pour permettre la lecture en temps réel du nombre de photons. Cette approche a considérablement réduit les besoins en acquisition de données de trois ordres de grandeur et simplifié la configuration de lecture. Ils ont également démontré l’utilité de leur système en technologie de l’information quantique en créant un générateur de nombres aléatoires quantique basé sur l’échantillonnage de la parité d’un état cohérent. Cette technologie garantit l’impartialité, la robustesse contre les imperfections expérimentales et le bruit environnemental, ainsi que la résistance à l’écoute clandestine.

Conclusion et implications

Cette recherche représente une avancée significative dans le domaine des PNRDs. Avec une amélioration supplémentaire de l’efficacité de détection des SMSPDs, cette technologie pourrait devenir facilement accessible pour diverses applications optiques d’information quantique. Ces résultats soulignent le potentiel des SNSPDs ou des SMSPDs pour atteindre une résolution de nombre de photons à haute fidélité et grande plage dynamique.

Référence : “Large-inductance superconducting microstrip photon detector enabling 10 photon-number resolution” par Ling-Dong Kong, Tian-Zhu Zhang, Xiao-Yu Liu, Hao Li, Zhen Wang, Xiao-Ming Xie et Li-Xing You, 2 février 2024, Advanced Photonics.
DOI : 10.1117/1.AP.6.1.016004