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Multiplex-Detektorsystem schließt Lücke zwischen Einzelphotonenmessungen und optischen Leistungsmessgeräten und bietet potenzielle Anwendungen in der Quantentechnologie
Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn haben einen neuen Ansatz mit kommerziellen Einzelphotonendetektoren entwickelt, mit dem sich mehr als 9000 einzelne Photonen in einem Lichtpuls zählen lassen – bisher lag die Grenze bei 8. Dieser Fortschritt eröffnet neue Möglichkeiten, Quantenlicht in großem Maßstab zu untersuchen und präzise optische Messungen durchzuführen. Die Ergebnisse wurden heute in der renommierten Open-Access-Fachzeitschrift „Optica“ veröffentlicht.
„Je mehr Photonen gezählt werden müssen, desto schwieriger wird es, sie zu erfassen“, sagt Dr. Timon Schapeler vom Department Physik und dem Institut für Photonische Quantensysteme der Universität Paderborn. „Unser Ansatz erweitert das Photonenzählen und schließt damit die Lücke zwischen Einzelphotonenmessungen und hochempfindlichen optischen Leistungsmessgeräten“, so Dr. Schapeler weiter. Dafür haben die Forschenden ein Detektionssystem entwickelt, das supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) mit dem sogenannten Multiplexing kombiniert. Dabei wird ein Lichtpuls in viele kleinere Lichtpulse aufgeteilt. Dadurch entstehen 1024 Detektionskanäle, die das präzise Photonenzählen ermöglichen.
Mit diesem Ansatz und einer modellgestützten Charakterisierung jedes Detektionskanals hat das Team Lichtpulse mit bis zu 276 Photonen bei einer Messunsicherheit von weniger als einem Photon gemessen. Zum Vergleich: Ein herkömmliches Multiplex-System würde etwa 37.000 Detektorelemente benötigen, um dieselbe Präzision zu erreichen.
„Die Messung einzelner Photonen in großem Maßstab ist eine wichtige Grundlage des photonischen Quantencomputings und der Bildgebung auf Einzelphotonenebene“, erklärt Prof. Dr. Tim Bartley, ebenfalls von der Universität Paderborn. „Mit dieser neuen makroskopischen Photonenzähltechnologie können wir viel darüber lernen, wie sich photonische Quantencomputer und einzelphotonenempfindliche Kameras skalieren lassen.“
Skalierung der Einzelphotonendetektion
Mit zunehmender Größe photonischer Quantensysteme wird es immer wichtiger, ausreichend große Detektionssysteme zu entwickeln. Detektoren zu bauen, die große Zahlen einzelner Photonen unterscheiden können, ist jedoch äußerst anspruchsvoll. Gängige Einzelphotonendetektoren unterscheiden in der Regel nur, ob Photonen vorhanden sind oder nicht, nicht aber deren Anzahl. Photodioden und andere Detektoren, die für große Photonenzahlen empfindlich sind, weisen hingegen ein erhebliches elektrisches Rauschen auf, das die Auflösung der Photonenzahl erschwert.
Photonenzahlauflösende Detektoren, darunter SNSPDs, können zwischen verschiedenen Zahlen ankommender Photonen unterscheiden und sind für ihre hohe Effizienz, sehr hohe Zeitauflösung und ihr geringes Rauschen bekannt. „Wir wollten herausfinden, wie weit sich die Zahl der mit SNSPDs zählbaren Photonen steigern lässt“, sagt Dr. Schapeler. „Daraus entstand ein Detektorsystem, das Multiplexing und die intrinsische Photonenzahlauflösung von SNSPDs nutzt. Obwohl beide Technologien bereits einzeln untersucht wurden, war ihr gemeinsamer Einsatz in diesem Maßstab zuvor noch nicht demonstriert worden. Das System ist eine Größenordnung größer als frühere Multiplex-Einzelphotonenzählsysteme.“
Multiplexing ermöglicht es, die Photonenzahlauflösung mithilfe vieler einzelner Detektorelemente nachzubilden. Für die neue Studie teilten die Forschenden einen Lichtpuls mithilfe von Multiplexing in 128 zeitlich versetzte kleinere Pulse auf. Diese teilten sie anschließend weiter auf acht verschiedene Detektoren auf. So entstanden 1024 kleinere Pulse, auf die sich die ursprüngliche Photonenzahl verteilte. „Unser Ansatz nutzt optische Komponenten mit geringen Verlusten, um das Licht gleichmäßig auf 1024 Detektionskanäle zu verteilen und dabei die Information über die Photonenzahl in jedem Kanal zu erhalten“, so Prof. Bartley. „Das ermöglicht präzise Messungen, während das Multiplexing den Bereich der Photonenzahlen erweitert, die das System messen kann.“
Präzision unterhalb eines Photons
Eine weitere entscheidende Voraussetzung für hochpräzise Photonenmessungen war ein Detektormodell, das die Forschenden zuvor gemeinsam mit Dr. Mariia Sidorova von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Deutschland entwickelt hatten. Das Modell beschreibt jedes einzelne Detektorelement, aus dem das Gesamtsystem besteht.
Um den neuen Ansatz zu testen, richteten die Forschenden Laserpulse mit durchschnittlich 1 bis 15.000 Photonen pro Puls auf ihr Gerät. So konnten sie untersuchen, wie der Detektor unter verschiedenen Bedingungen reagiert und mit welcher Präzision er die Photonenzahl eines Laserpulses bestimmen kann.
Dank der Genauigkeit ihres Modells konnten die Forschenden zeigen, dass sich bis zu 276 Photonen mit einer Messunsicherheit von weniger als einem Photon zählen lassen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Detektor mehr als 9000 einzelne Photonen zählen kann, dies jedoch bei erhöhter Messunsicherheit.
In der aktuellen Studie nutzten die Forschenden SNSPDs ausschließlich zur Messung von Laserpulsen. Künftig wollen sie die Detektoren auch auf Quantenzustände des Lichts anwenden. Dadurch könnten sich Quanteneffekte in großem Maßstab identifizieren lassen.
Zur Publikation: doi.org/10.1364/OPTICA.604389
Dr. Timon Schapeler, Department Physik und Institut für Photonische Quantensysteme der Universität Paderborn, E-Mail: timon.schapeler@uni-paderborn.de
Prof. Dr. Tim Bartley, Department Physik und Institut für Photonische Quantensysteme der Universität Paderborn, E-Mail: tim.bartley@uni-paderborn.de
doi.org/10.1364/OPTICA.604389
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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