Разработан сверхпроводящий широкополосный детектор фотонов (SWSPD).
Фото: Национальный институт информационных и коммуникационных технологий (NICT).

Технология обнаружения фотонов является стратегической базовой технологией, позволяющей реализовать инновации в широком спектре областей передовых технологий, включая квантовую информационную связь и квантовые вычисления, которые в настоящее время проходят интенсивные исследования и разработки в глобальном масштабе, а также флуоресцентное наблюдение живых клеток, оптическая связь в дальнем космосе, лазерное зондирование и многое другое.

Сравнение структуры и характеристик традиционной технологии (сверхпроводящий нанополосковый детектор фотонов (SNSPD)) и новой технологии (сверхпроводящий широкополосный детектор фотонов (SWSPD)).
Фото: Национальный институт информационных и коммуникационных технологий (NICT).

Исследовательская группа NICT разработала SNSPD с шириной полоски 100 нм или меньше. Они успешно достигли высокой производительности , превосходящей другие детекторы фотонов, и продемонстрировали ее полезность, применив ее к технологии квантовой передачи информации. Однако изготовление SNSPD требует формирования нанополосковых структур с использованием передовой технологии нанопроизводства, что приводит к изменениям в характеристиках детектора и препятствует повышению производительности. Кроме того, наличие поляризационной зависимости из-за меандрирующей структуры сверхпроводящих нанополосок также ограничивает диапазон применения в качестве детектора фотонов.

В этой работе NICT изобрел новую структуру под названием «Структура банка высокого критического тока (HCCB)», которая обеспечивает высокоэффективное обнаружение фотонов, даже если ширина полоски в сверхпроводящем полосковом детекторе фотонов увеличена, и преуспел в разработке SWSPD шириной 20 микрометров — более чем в 200 раз шире, чем обычный нанополосковый детектор фотонов — и впервые в мире достиг высокой производительности.

Структура банка с высоким критическим током (HCCB).
Фото: Национальный институт информационных и коммуникационных технологий (NICT).

Тип нанополосок, разработанный NICT, требовал формирования чрезвычайно длинных сверхпроводящих нанополосок с шириной полосы 100 нм или менее в меандрирующей форме. Широкая полоска теперь может быть сформирована только из одной короткой прямой сверхпроводящей полоски.

Этот SWSPD не требует технологии нанопроизводства и может быть изготовлен с помощью высокопроизводительной технологии фотолитографии общего назначения. Кроме того, поскольку ширина полоски больше ширины падающего светового пятна, излучаемого из оптического волокна, можно устранить поляризационную зависимость, наблюдаемую в детекторе нанополоскового типа.

В результате оценки производительности этого детектора эффективность обнаружения в телекоммуникационном диапазоне длин волн (λ=1550 нм) составила 78%, что сопоставимо с 81% для нанополоскового типа. Кроме того, джиттер синхронизации показал лучшие численные значения, чем у нанополоскового типа.

Это достижение позволяет изготавливать детекторы фотонов с более высокой производительностью, превосходными характеристиками и характеристиками по сравнению с типом нанополосок, который позиционируется как незаменимая технология обнаружения фотонов в передовых областях технологий, таких как квантовая информационная передача. Ожидается, что такая технология будет применяться к различным квантовым технологиям передачи информации и станет важной базовой технологией для реализации сетевых квантовых компьютеров, продвигаемых в JST Moonshot Goal 6.

В будущем команда продолжит изучение структуры HCCB в SWSPD, чтобы обнаруживать фотоны с высокой эффективностью не только в телекоммуникационном диапазоне длин волн, но и в широком диапазоне длин волн от видимого до среднего инфракрасного диапазона. Кроме того, они также попытаются расширить размер области приема фотонов для расширения таких приложений, как технологии оптической связи в дальнем космосе, лазерное зондирование, наблюдение живых клеток и многое другое.