Ученые из университета Дюка, университета Огайо и инженеры компании Quantum Opus обнаружили, что метод, используемый для детектирования единичных фотонов можно использовать для подсчета четырех фотонов, одновременно падающих на поверхность датчика. Данное открытие можно использовать не только в научном и экспериментальном лабораторном оборудовании, его основной областью применения, как считают ученые, станут активно разрабатываемые сейчас квантовые технологии, технологии квантовых вычислений и квантовых коммуникаций.

Для «подсчета» фотонов исследователи использовали датчик, во многом походящий на традиционный датчик единичных фотонов на базе сверхпроводящих нанопроводников (superconducting nanowire single-photon detector, SNSPD). Как можно понять из названия, основой этого датчика является тончайшая нить из сверхпроводящего материала, который способен проводить электрический ток с нулевым сопротивлением при низких температурах. Однако, как и у обычного проводника, имеющего сопротивление, у сверхпроводника имеется ограничение на то, сколь сильный электрический ток может протекать через него в один момент времени.

На поверхности SNSPD-датчика создано множество петель из сверхпроводящих нанопроводников, через которые пропускается электрический ток, сила которого близка к максимальному пределу для используемого типа материала. Когда фотон света проходит мимо илу ударяет в поверхность нанопроводника, его энергия чуть-чуть нагревает проводник, который в этом месте теряет свойство сверхпроводимости на короткое время. Резкий скачек электрического сопротивления вызывает столь же резкое изменение электрического тока, что представляет собой полезный сигнал, регистрирующий фотон света.

В созданной новой установке исследователи обращают внимание не только на факт наличия пиковых изменений тока через нанопроводники, но и на форму этих пиков. Сложная математическая обработка формы этих сигналов позволяет сейчас четко различить сигналы от четырех фотонов, поразивших поверхность датчика в один и тот же момент времени.

Новая установка, в отличие от простого SNSPD-датчика, нуждается в высокочувствительном и высококачественном усилителе для того, чтобы поднять амплитуду слабого сигнала до уровня, позволяющего оцифровать этот сигнал. Этот усилитель должен работать при температуре в -270 градусов Цельсия, при температуре, при которой работает сам SNSPD-датчик. Только таким образом можно избавиться от собственных тепловых шумов самого усилителя, который, к тому же, должен быть достаточно широкополосным для того, чтобы не исказить форму усиливаемого сигнала. К счастью, такие усилителя являются стандартным оборудованием, и они имеются в распоряжении многих лабораторий.

В настоящее время ученые заняты оптимизацией разработанного ими метода и созданной экспериментальной установки. Модернизация некоторых электронных узлов, элеме6нтов датчиков и использование соответствующих программных алгоритмов позволят в ближайшем будущем «посчитать» от 10 до 20 фотонов за один раз. Параллельно с этим ученые подали патентную заявку, после рассмотрения которой можно будет рассчитывать на создание стандартных устройств и узлов научного оборудования, основаны на новом методе детектирования фотонов.