Die Kopplung zwischen dem in den Wellenleiter eingebetteten nichtlinearen Metamaterial und der verteilten Resonanzmode kann eine unbedingte Detektion von Photonen mit einem Fehler von weniger als einem Prozent bereitstellen. Physiker beschrieben in einem Preprint auf arXiv.org ein neues Konzept eines Breitband-Einphotonen-Detektors im Mikrowellenbereich.
Einzelphotonendetektoren sind eine der Schlüsseltechnologien in der experimentellen Quantenoptik. Der Nachweis von Photonen im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Frequenzbereich ist eine etablierte und routinemäßige Technologie: Geräte werden von vielen wissenschaftlichen Gruppen und kommerziellen Unternehmen hergestellt und sind leicht käuflich zu erwerben. Ihr Wirkprinzip ist in der Regel die Absorption eines Photons durch eine empfindliche Halbleitermatrix oder einen supraleitenden Nanodraht. Der resultierende Stromimpuls wird von elektronischen Geräten aufgezeichnet, die Aufschluss über das Vorhandensein eines Photons geben.
Bei Photonen im Mikrowellen- (oder Mikrowellen-)Bereich mit Frequenzen von etwa 5 bis 20 GHz ist die Situation jedoch viel komplizierter. Das Interesse an der Detektion solcher Photonen entsteht bei der Untersuchung von Quantensystemen, die bei Mikrowellenfrequenzen arbeiten: supraleitende Schaltkreise, Quantenpunkte und Spin-Ensembles. Wie Sie wissen, ist die Energie eines einzelnen Photons proportional zur Frequenz einer elektromagnetischen Welle. Bei Mikrowellen ist die Frequenz 4-5 Größenordnungen niedriger als im IR- und sichtbaren Bereich. Daher ist die Registrierung der Reaktion auf Mikrowellenphotonen ein äußerst nicht triviales Problem.
Die Implementierung der quantenzerstörungsfreien Messung (SOI) eines Photons eröffnet große Perspektiven für die Quantenelektronik und Quantenkommunikation. In der Quantenmechanik bezeichnet der Begriff SOI eine starke Projektionsdimension, die ein System in einem gemessenen Zustand belässt. Gleichzeitig ist die Absorption eines Photons, die in herkömmlichen Detektoren auftritt, kein SOI - wenn ein Photon aufgehört hat zu existieren, dann ist es bedeutungslos, über den Lichtzustand nach der Messung zu sprechen.
Man kann sich jedoch ein System vorstellen, das auf ein vorbeiziehendes Photon reagieren kann, ohne es zu zerstören, aber seine Parameter nur geringfügig zu ändern. In diesem Fall haben wir Informationen über das Vorhandensein eines Photons, und es bewegt sich gleichzeitig weiter entlang des Wellenleiters und kann Informationen übertragen oder mit einem Quantensystem interagieren. Dies ist äußerst nützlich, um Quantenkommunikation zu implementieren und entfernte Quantensysteme zu verschränken. Doch selbst im sichtbaren Bereich konnten Physiker SOI lange Zeit nicht zeigen. Erst vor wenigen Jahren erschienen die ersten Berichte über erfolgreiche SOI von Photonen, die von optischen Hohlräumen reflektiert wurden. Lesen Sie hier mehr über SOI-Photonen von sichtbarem und IR-Licht.
Es gibt auch einige Fortschritte in Richtung SOI von Mikrowellenphotonen. Erfolgreiche Experimente (1, 2) legen nahe, ein Photon durch eine bedingte logische Operation mit einem supraleitenden Qubit zu detektieren. Allerdings beruhen solche Prototypen auf dem zeitlichen Einfangen eines Photons in einer Kavität, was das Frequenzband der detektierten Photonen extrem verengt und auch die Quanteneffizienz des Detektors begrenzt. Dies macht einen groß angelegten Einsatz solcher Schemata unmöglich. Daher ist es von besonderer Bedeutung, das Konzept eines breitbandigen, effizienten und zerstörungsfreien Einzelphotonendetektors im Mikrowellenbereich zu entwickeln.
Detektorkonzept. Das nichtlineare Metamaterial (orange) ist in den Wellenleiter eingebettet und an den Resonator gekoppelt. Die Feldmessung im Resonator erkennt ein Photon.
Arne Grimsmo und Kollegen am Berkeley, MIT und der University of Sherbrooke haben theoretisch einen schwach nichtlinearen Quantenmetamaterialdetektor beschrieben, der ein einzelnes Mikrowellenphoton nachweisen kann. Das Metamaterial besteht aus einer langen Kette von Josephson-Übergängen und ähnelt konzeptionell einem parametrischen Josephson-Wanderwellenverstärker. Die Detektionsbandbreite wird durch das Fehlen resonanter Wechselwirkungen sichergestellt, die die Photonenfrequenz einschränken könnten.
Der vorgeschlagene Detektor ist eine Kombination aus zwei Elementen. Das erste davon ist ein Links-Rechts-Verbundmetamaterial. Es besteht aus harmonischen Oszillatoren, die durch in Reihe geschaltete Kapazität und Induktivität miteinander verbunden sind. Das zweite Element ist die Grundmode des koplanaren Halbwellen-Resonators. Es wird benötigt, um die Anzahl der Photonen im Metamaterial zu lesen. Das Metamaterial ist über nichtlineare Elemente mit dem Resonator verbunden, deren Schaltkreis aus Josephson-Übergängen besteht.
Die Autoren untersuchten die Möglichkeit, ein Photon in einem Metamaterial zu detektieren, indem sie das Feld im Sondenmodus messen. Dazu berechneten sie zunächst den Hamilton-Operator der Wechselwirkung zwischen dem vorgeschlagenen Metamaterial und dem Testmodus. Es stellte sich heraus, dass das Vorhandensein oder Fehlen eines Photons im Metamaterial die Feldstärke im Resonator verändert. Dies bedeutet, dass die sogenannte longitudinale Wechselwirkung oder XZ-Wechselwirkung realisiert wird.
Hamiltonoperator der XZ-Wechselwirkung
Bei der vorgeschlagenen Architektur reicht es zur Detektion eines Photons aus, das Ausgangsfeld des Resonators zu messen. Überschreitet das integrierte Homodynsignal eine bestimmte Schwelle, kann man von Photonenerkennung sprechen. Zu den Vorteilen des Konzepts zählen die Autoren auch die Möglichkeit, das Arbeitsband des Metamaterials zu wählen, das notwendig ist, um niederfrequentes Rauschen abzuschneiden und zu verhindern, dass die Frequenz der Sondenmode in den Arbeitsbereich des Metamaterials fällt.
Umkehrwirkung und Schattenrauschen sind wichtige Eigenschaften eines zerstörungsfreien Detektors. In der Arbeit wird angemerkt, dass die umgekehrte Wirkung dadurch minimiert wird, dass der Sondenmodus mit einem optisch langen Abschnitt des Metamaterials verbunden ist. Somit gibt der Messvorgang fast keine Auskunft über den Ort des Photons, was bedeutet, dass er den Impuls, insbesondere die Rückreflexion des Photons, nahezu nicht ändert.
Simulation der Photonenerkennung. Aufgetragen sind die Wigner-Funktionen für das Feld in der Kavität (unten) für verschiedene Positionen des Photons in einem Wellenleiter mit eingebettetem Metamaterial (oben)
Um diese Annahmen zu testen, führten die Autoren eine numerische Simulation des Prozesses der Photonenausbreitung in einem Metamaterial und seiner Messungen durch. Die Berechnungen basieren auf der zeitlichen Entwicklung und Diskretisierung eines photonischen Wellenleiters, einschließlich eines nichtlinearen Metamaterials, entlang der Achse der Photonenausbreitung. Dem umgekehrten Effekt der Messung mit kontinuierlicher homodyner Detektion des Resonatorfeldes wurde Rechnung getragen, indem der Zustand in Abhängigkeit vom Messergebnis in Form einer Quantentrajektorie dargestellt wurde. Die Simulationen verwendeten einen stochastischen MPS-Algorithmus zur Darstellung von Zuständen als Matrixprodukt.
Die Berechnungsergebnisse zeigten, dass der Detektor ein Photon bedingungslos, dh ohne Bezug auf den Zeitpunkt des Eintritts in den Wellenleiter, detektiert. Die Detektionssicherheit übersteigt 90% und wächst exponentiell mit einer Zunahme der effektiven Kopplung zwischen dem Metamaterial und dem Resonator. Gepaart mit hohem Durchsatz und hoher Detektionsgenauigkeit eröffnet der vorgeschlagene Detektor neue Möglichkeiten für die Einzelphotonenmessung und -steuerung, einschließlich Feedback nach Photonenmessung, schwacher Einzelphotonenmessung und Kaskadenphotonendetektion mit anderen Messkreisen oder kohärenten Wechselwirkungen.
Getrennte Quantentrajektorien des Feldes in der Kavität, entlang derer ein Photon detektiert werden kann (oben) und die Größe des Detektionsfehlers für unterschiedliche Zeitprofile eines Photons in Abhängigkeit von der Stärke der Kopplung (unten)
Einzelphotonenoperationen sind ein weit verbreitetes Werkzeug in der Quantenoptik und Quantenkommunikation. Zuvor haben wir darüber gesprochen, wie Photonen dazu beigetragen haben, die Knoten des Quantenspeichers zu verschränken und wie Physiker Photonen zwischen Chips teleportieren.
