В NASA разработали счётчик фотонов с рекордной скоростью работы — это значительно ускорит квантовую связь

Скорость квантовой связи или распределения квантовых ключей зависит от многих факторов, и одним из них является скорость детектирования одиночных фотонов. Современные детекторы способны регистрировать до 800 млн фотонов в секунду, что хорошо, но мало. Специалисты Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) смогли установить новый рекорд, разработав однофотонный детектор с производительностью 1,5 млрд фотонов в секунду и это не предел.

Датчик подсчёта фотонов Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta (PEACOQ). Источник изображения: JPL-Caltech/NASA

Ряд схем квантовой связи опираются на способность обнаружить и обработать оптический сигнал на уровне одного фотона. В процессе детектирования с высочайшей точностью регистрируется время прихода каждого фотона (кванта электромагнитной энергии). По мере роста скорости передачи квантовой информации детекторы также должны увеличивать свою производительность, не теряя в эффективности и чувствительности.

Наиболее перспективной платформой для достижения сверхвысоких скоростей подсчёта фотонов считаются детекторы на основе сверхпроводящих нанопроволок. Детектор охлаждается до температуры близкой к абсолютному нулю. Нанопроволока поглощает фотон и нагревается на величину поглощённой энергии. Тем самым электрическое сопротивление нанопроволоки изменяется и это отражается на величине текущего через неё тока. Регистрация времени этого изменения обеспечивает точную привязку к времени прихода фотона.

Эффективность обнаружения фотонов таким способом одна из самых высоких среди всех известных методов и достигает 98 %. Также нанопроволоки интересны тем, что способны обнаруживать фотоны на длинах волн от среднего инфракрасного до ультрафиолетового. Но у всего этого есть один недостаток, который не позволяет увеличить скорость подсчёта, скажем, выше 800 млн фотонов в секунду. Мешает этому процессы отвода тепла от нанопроволок после поглощения фотонов — на это банально требуется время, в течение которого детекторы остаются слепы.

Именно это ограничение пытались преодолеть физики из JPL, когда предложили свою конструкцию детектора в виде хвоста павлина. Да, они его так и назвали — PEACOQ (Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta). Детектор PEACOQ достиг максимальной скорости счёта около 1,5 млрд фотонов в секунду, сохраняя при этом высокую эффективность и низкий уровень шума.

Секрет кроется в 32 прямых сверхпроводящих нанопроводах, веером расходящихся из центра детектора, как павлиний хвост. Регистрация фотонов происходит параллельно (независимо) каждой нанопроволокой с временным разрешением менее 100 пс. В ходе экспериментов с новым датчиком максимальная скорость регистрации фотонов достигала 1,5 млрд в секунду, что почти в два раза превышает возможности современных счётчиков фотонов.

Усложнение датчика незначительно снизило эффективность детектирования, но не ниже 78 % в режиме максимальной нагрузки. Дальнейшие исследования будут направлены на увеличение этого параметра. Но даже в таком виде квантовая связь может получить толчок в развитии, если датчики PEACOQ найдут путь к разработчикам устройств квантовой связи.