شمارش کوانتوم های شار مغناطیسی روش جدیدی برای اندازه گیری اعداد فوتون ارائه می دهد

توسط موسسه ملی علوم و فناوری پیشرفته صنعتی

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

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

محققان در AIST مستقیما کوانتوم‌های شار مغناطیسی ایجاد شده در یک ابررسانا توسط جذب فوتون را مشاهده کرده‌اند و یک اصل جدید در تشخیص فوتون را نشان داده‌اند که تعداد فوتون‌ها را بر اساس تعداد این کوانتوم‌های شار شناسایی می‌کند.

تشخیص فوتون های منفرد یک فناوری کلیدی برای کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک و ارتباطات کوانتومی است و چندین روش پیشنهاد شده است. در حالی که برخی از این روش ها در حال حاضر برای اهداف تحقیقاتی مورد استفاده عملی قرار می گیرند، ادغام آنها در کاربردهای صنعتی به تازگی آغاز شده است.

در مطالعه‌ای که در مجله Physical Review Applied منتشر شد، یک رویکرد جدید برای تشخیص فوتون دو قابلیت مهم را با هم ترکیب می‌کند: وضوح بالای عدد فوتون، که دستیابی به آن با فناوری‌های معمولی دشوار است، و عملکرد با سرعت بالا، که برای کاربردهای صنعتی مطلوب است.

در محاسبات کوانتومی نوری، انتظار می‌رود استفاده از فوتون‌ها به‌عنوان کیوبیت، محاسبات کوانتومی با سرعت بالا و مقیاس بزرگ را امکان‌پذیر کند، در حالی که در ارتباطات کوانتومی، استفاده از فوتون‌ها به‌عنوان حامل اطلاعات کوانتومی، امکان برقراری ارتباط با امنیت اطلاعاتی-نظری بالا را فراهم می‌کند. برای پیشرفت این فناوری‌های فوتونیک کوانتومی، شناسایی فوتون‌ها با کارایی و دقت بالا ضروری است.

به طور خاص، تشخیص با شماره فوتون (PNRD)، که نه تنها وجود یا عدم وجود یک فوتون را تشخیص می‌دهد، بلکه تعداد دقیق فوتون‌ها (1، 2، 3، و غیره) را نیز متمایز می‌کند، یک فناوری حیاتی با کاربردهای پیش‌بینی‌شده در ارزیابی منابع تک فوتون، محاسبات کوانتومی بوزونی و طرح‌های ارتباطات کوانتومی پیشرفته است.

در حالی که PNRD به عنوان یک تکنیک اندازه گیری کلیدی در تحقیقات اپتیک کوانتومی استفاده شده است، بهبود سرعت بیشتری برای استقرار آینده آن در کامپیوترهای کوانتومی نوری در مقیاس بزرگ و زیرساخت های ارتباطی کوانتومی مورد نیاز است.

آشکارسازهای فوتون معمولی شامل حسگرهای لبه گذار ابررسانا (TES) و آشکارسازهای نانوسیم تک فوتونی ابررسانا (SNSPD) هستند. در حالی که دستگاه‌های TES می‌توانند تعداد فوتون‌های منفرد را تا چندین فوتون تشخیص دهند، انرژی فوتون را به عنوان گرما اندازه‌گیری می‌کنند، که برای خنک شدن نیاز به زمان دارد و بنابراین سرعت عملکرد دستگاه TES را محدود می‌کند.

در مقابل، SNSPD ها بسیار سریع عمل می کنند. با این حال، در حالی که آنها می توانند ورود یک فوتون را تشخیص دهند، نمی توانند انرژی آن را تعیین کنند. بنابراین، برای تعیین تعداد فوتون ها با استفاده از PNRD، لازم است آشکارسازهای متعددی را با هم ترکیب کنیم.

در حال حاضر، دستیابی به قابلیت تفکیک عدد فوتون بالا TES و سرعت بالای SNSPD یک چالش فنی مهم باقی مانده است. برای دستیابی به هر دو، به جای اصلاح ساده فناوری های موجود، به روش جدیدی برای تشخیص نوری نیاز است.

هنگامی که یک فوتون توسط یک ابررسانا جذب می شود، گرادیان فاز ابررسانا ناپایدار می شود و یک جفت کوانتوم شار مغناطیسی تولید می کند. همانطور که این کوانتوم های شار مغناطیسی از ابررسانا عبور می کنند، لغزش فاز رخ می دهد که منجر به یک سیگنال ولتاژ کوانتیزه شده توسط اثر جوزفسون می شود.

در این مطالعه، مشاهده این سیگنال ولتاژ کوانتیزه شده امکان شناسایی مستقیم تعداد فوتون های فرود را فراهم می کند.

آشکارسازهای شمارش فوتون ابررسانای مرسوم تغییرات دما را پس از رسیدن به تعادل حرارتی پس از جذب فوتون اندازه‌گیری می‌کنند. در مقابل، این فناوری از دینامیک فاز ابررسانا استفاده می کند که بلافاصله پس از جذب نور رخ می دهد.

از آنجایی که نیازی به منتظر ماندن برای پاسخ حرارتی نیست، انتظار می‌رود این رویکرد منجر به فناوری شمارش فوتون با سرعت بالا شود که از روش‌های مرسوم پیشی می‌گیرد.

تاکشی جودوی و همکاران، مشاهده مستقیم گردابه‌های ناشی از فوتون در فیلم‌های ابررسانا، Physical Review Applied (2026). DOI: 10.1103/n295-rfl8

ارائه شده توسط موسسه ملی علوم و فناوری پیشرفته صنعتی

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. 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 →