سیستم آشکارساز چندگانه دقیقا بیش از 9000 فوتون را شمارش می کند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

محققان رویکرد جدیدی ایجاد کرده اند که می تواند به طور دقیق از صفر تا بیش از 9000 فوتون را بشمارد. این پیشرفت امکانات جدیدی را برای مطالعه نور کوانتومی در مقیاس های بزرگ و انجام اندازه گیری های نوری دقیق باز می کند.

تیمون شاپلر از دانشگاه پادربورن آلمان گفت: «شمارش دقیق فوتون‌ها با افزایش تعداد فوتون‌ها چالش‌برانگیزتر می‌شود. «رویکرد ما شمارش فوتون‌ها را به تعداد بیشتری فوتون گسترش می‌دهد و فاصله بین اندازه‌گیری‌های تک فوتون و توان‌سنج‌های قدرت نوری با حساسیت بالا را پر می‌کند.»

در Optica، محققان توضیح می‌دهند که چگونه یک سیستم تشخیص ایجاد کردند که آشکارسازهای نانوسیم تک فوتونی ابررسانا (SNSPDs) را با مالتی پلکس شدن ترکیب می‌کند تا 1024 محفظه تشخیص برای شمارش دقیق فوتون ایجاد کند.

آن‌ها از این رویکرد، همراه با ویژگی‌های مبتنی بر مدل هر سطل تشخیص، برای اندازه‌گیری پالس‌های نور حاوی حداکثر ۲۷۶ فوتون با عدم قطعیت کوچک‌تر از یک فوتون استفاده کردند. یک سیستم مالتی پلکس معمولی به حدود 37000 عنصر آشکارساز برای دستیابی به همان دقت نیاز دارد، در مقایسه با 1024 سطل تشخیص آن.

تیم بارتلی از دانشگاه پادربورن می‌گوید: «اندازه‌گیری فوتون‌های منفرد در مقیاس بزرگ، سنگ بنای محاسبات کوانتومی فوتونیک و تصویربرداری در سطح تک فوتون است. با این فناوری جدید شمارش فوتون ماکروسکوپی، می‌توانیم چیزهای زیادی در مورد اینکه چگونه کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک و دوربین‌های حساس به تک فوتون را می‌توان مقیاس‌بندی کرد، یاد گرفت.

با افزایش اندازه سیستم های کوانتومی فوتونیک، ساخت و تجزیه و تحلیل سیستم های تشخیص به اندازه کافی بزرگ اهمیت فزاینده ای پیدا می کند. با این حال، ساخت آشکارسازهایی که می توانند تعداد زیادی از فوتون ها را تشخیص دهند بسیار چالش برانگیز است.

آشکارسازهای تک فوتون معمولی مانند فتودیودهای بهمنی معمولا فقط وجود یا عدم وجود فوتون ها را تشخیص می دهند نه تعداد آنها. از سوی دیگر، فتودیودها و دیگر آشکارسازهای حساس به تعداد زیادی فوتون، نویز الکتریکی قابل توجهی از خود نشان می‌دهند که توانایی تشخیص عدد فوتون را مخفی می‌کند.

آشکارسازهای تشخیص عدد فوتون، از جمله SNSPD ها، با تمایز بین تعداد مختلف فوتون های ورودی، رویکرد دیگری را ارائه می دهند. SNSPD ها به خاطر راندمان بالا، وضوح زمان بسیار بالا و نویز کم معروف هستند. اخیرا نشان داده شده است که این آشکارسازها می‌توانند تعداد محدودی از فوتون‌هایی را که به آشکارساز می‌رسند، شناسایی کنند که می‌توان با اندازه‌گیری‌های زمان‌بندی با دقت بالا اندازه‌گیری کرد.

شاپلر می‌گوید: «ما می‌خواستیم بدانیم که تعداد فوتون‌هایی را که می‌توان با SNSPD شمارش کرد، تا چه اندازه می‌توان بالا برد. "این منجر به یک سیستم آشکارساز شد که از مالتی پلکس و وضوح ذاتی عدد فوتون SNSPD استفاده می کند. اگرچه این فناوری ها به صورت جداگانه مورد مطالعه قرار گرفته اند، قبلا نشانی از استفاده از هر دو رویکرد با هم در این مقیاس وجود نداشته است که مرتبه ای بزرگتر از سیستم های شمارش تک فوتون چندگانه قبلی است."

Multiplexing راهی برای تقلید وضوح عدد فوتون با استفاده از بسیاری از عناصر آشکارساز منفرد فراهم می کند. در کار جدید، محققان از مالتی پلکس برای تقسیم یک پالس نور به 128 پالس کوچکتر که در زمان جدا شده اند استفاده کردند. سپس آن‌ها را به هشت آشکارساز مختلف تقسیم کردند و 1024 پالس کوچک‌تر را تولید کردند که حاوی تعداد اولیه فوتون‌هایی است که بین آنها تقسیم شده است.

بارتلی گفت: «رویکرد ما از اجزای نوری کم تلفات برای توزیع یکنواخت نور در بین 1024 سطل تشخیص و در عین حال حفظ اطلاعات شماره فوتون در هر سطل استفاده می‌کند. "این امکان اندازه گیری دقیق را فراهم می کند، در حالی که مالتی پلکسی دامنه اعداد فوتونی را که سیستم می تواند اندازه گیری کند گسترش می دهد."

یکی دیگر از بخش‌های حیاتی برای دستیابی به اندازه‌گیری‌های فوتون با دقت بالا، یک مدل آشکارساز بود که محققان قبلا با ماریا سیدورووا از PTB در آلمان توسعه دادند. این مدل به طور دقیق هر عنصر آشکارساز مجزا را که سیستم کلی را تشکیل می دهد، توصیف می کند.

برای آزمایش رویکرد جدید، محققان پالس های لیزری با تعداد فوتون های متوسط ​​در هر پالس بین یک تا 15000 را به دستگاه خود ارسال کردند. این به آنها اجازه داد تا بررسی کنند که چگونه آشکارساز تحت شرایط مختلف واکنش نشان می‌دهد و دقتی را که می‌تواند تعداد فوتون‌ها را در یک پالس لیزر شمارش کند، تعیین کند.

به لطف دقت مدل خود، محققان شمارش فوتون تا 276 فوتون را با عدم قطعیت اندازه گیری زیر یک فوتون نشان دادند.

در حالی که مطالعه فعلی فقط SNSPD ها را برای اندازه گیری پالس های لیزری به کار می برد، محققان در حال برنامه ریزی برای استفاده از آنها در حالت های کوانتومی روشن نور هستند. این امر کشف اثرات کوانتومی در مقیاس های بزرگ را ممکن می سازد. همانطور که فناوری SNSPD به پیشرفت خود ادامه می دهد، این سیستم آشکارساز جدید می تواند اندازه گیری های دقیق و بسیار حساس را در طیف وسیعی از کاربردهای حسگر فعال کند.

تیمون شاپلر و همکاران، شمارش فوتون ماکروسکوپی با شکستن حد نویز پواسون، Optica (2026). DOI: 10.1364/optica.604389

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →