Новый детектор состоит из 32 сверхпроводящих нанопроволок из нитрида ниобия на кремниевой микросхеме, что обеспечивает высокую скорость счета и высокую точность. 
Авторы и права: Райан Лэнном, JPL-Caltech/NASA

Квантовая связь использует свет на уровне отдельных фотонов для отправки закодированной квантовой информации, такой как ключи шифрования при распределении квантовых ключей. По законам физики данные, передаваемые таким образом, гарантированно остаются в безопасности. Для отправки информации на более высоких скоростях требуется детектор одного фотона, который может не только быстро обнаруживать фотоны, но и точно измерять время их прибытия.

В статье, опубликованной в Optica, исследователи под руководством Мэтью Д. Шоу из Лаборатории реактивного движения НАСА описывают и демонстрируют свой новый детектор для измерения времени прихода фотонов, который они называют детектором PEACOQ (матрица с улучшенными характеристиками для подсчета оптических квантов).

«Наш новый детектор состоит из 32 сверхпроводящих нанопроволок из нитрида ниобия на кремниевом чипе, что обеспечивает высокую скорость счета с высокой точностью», — говорит член исследовательской группы Иоана Крайчиу, доктор наук. «Детектор был разработан с учетом квантовой связи, поскольку это технологическая область, ограниченная производительностью доступных детекторов».

Детектор был разработан в рамках программы НАСА по внедрению новой технологии квантовой связи между космосом и землей, которая в будущем позволит обмениваться квантовой информацией на межконтинентальных расстояниях. Эта работа основана на технологии, разработанной для проекта НАСА «Оптическая связь в дальнем космосе», который станет первой демонстрацией оптической связи в свободном пространстве из межпланетного пространства.

«В настоящее время нет другого детектора, который может так быстро считать отдельные фотоны с таким же временным разрешением», — сказал Крайчиу. «Мы знаем, что этот детектор будет полезен для квантовой связи, но мы также надеемся, что он позволит использовать другие приложения, которые мы не рассматривали».

Более быстрая квантовая связь
Для увеличения скорости передачи квантовой связи требуется детектор на принимающей стороне, который может выполнять быстрые измерения и имеет короткое мертвое время, чтобы он мог бороться с высокой скоростью поступающих фотонов. Детектор также должен точно измерять время прихода фотонов.

«Хотя существуют детекторы, которые могут измерять время прихода фотонов с высокой точностью, они изо всех сил стараются не отставать, когда фотоны прибывают в быстрой последовательности, и могут пропустить некоторые фотоны или неправильно определить время их прибытия», — сказал Крайсиу. «Мы разработали детектор PEACOQ для точного измерения времени прибытия одиночных фотонов , даже если они попадают в детектор с высокой скоростью. Он также эффективен — он не пропускает много фотонов».

Детектор PEACOQ состоит из нанопроволок толщиной всего 7,5 нм, что примерно в 10 000 раз тоньше человеческого волоса. Работа при очень низких температурах — около 1 Кельвина или -458 ° F — делает нанопроволоки сверхпроводящими, что означает, что они не имеют электрического сопротивления. В условиях сверхпроводимости любой фотон, попавший на провод, имеет хорошие шансы быть поглощенным этим проводом. Любые поглощенные фотоны создают горячую точку, которая заметно увеличивает электрическое сопротивление провода. Компьютер вместе с цифро-временным преобразователем используется для регистрации момента изменения сопротивления и, таким образом, момента прихода фотона к детектору.

Мэтью Шоу, руководитель исследовательской группы, осматривает детектор PEACOQ, установленный внутри криостата для тестирования. 
Авторы и права: Райан Лэнном, JPL-Caltech/NASA

«Когда детектор измеряет фотон, он выдает электрический импульс, а преобразователь времени в цифру очень точно измеряет время прихода этого электрического импульса с разрешением менее 100 пикосекунд, или в 70 миллионов раз быстрее, чем щелчок пальцами. ", - сказал Крайсиу. «Мы разработали новый преобразователь времени в цифру, который может одновременно измерять до 128 каналов с таким временным разрешением, что важно, поскольку нашему детектору требуется 32 канала».

Чтобы продемонстрировать новый детектор, исследователи охладили его до 1 Кельвина, установив в криостат. Они использовали специально изготовленную тестовую установку для подачи света в криостат к детектору и цепочку электроники для передачи выходного сигнала детектора из криостата, его усиления и записи. Поскольку имеется 32 нанопроволоки, исследователям пришлось использовать 32 комплекта каждого компонента, включая 32 кабеля и 32 усилителя каждого типа.

Беспрецедентная скорость счета

«Мы были очень довольны тем, насколько хорошо работал детектор», — сказал Крайсиу. «Скорость, с которой он может измерять фотоны, была самой высокой из тех, что мы видели. Это требует сложной настройки, поскольку каждая из 32 нанопроволок считывается индивидуально, но для приложений, где вам действительно нужно измерять фотоны с высокой скоростью и высокой точностью, оно того стоит».

Как правило, передаваемая квантовая информация настроена на часы, при этом каждый фрагмент информации кодируется в один фотон и отправляется по такту. То, насколько точно вы можете измерить время прибытия фотонов к приемнику, определяет, насколько близко друг к другу могут быть тики, не совершая ошибки, и, следовательно, определяет, насколько быстро вы можете отправить информацию. Новый детектор позволяет осуществлять квантовую связь с современной тактовой частотой 10 ГГц.

Исследователи все еще работают над улучшением детектора PEACOQ, эффективность которого в настоящее время составляет около 80%, то есть 20% фотонов, попадающих в детектор, не измеряются. Они также планируют построить портативный приемник, который можно будет использовать для экспериментов по квантовой связи. Он будет содержать несколько детекторов PEACOQ, а также оптику, считывающую электронику и криостат.