Os sensores de fóton único, também conhecidos como detectores de fóton único (SPDs), permitem a detecção e manipulação precisas de fótons individuais, que podem servir como portadores de informações quânticas ou qubits, em computadores quânticos fotônicos (PQCs). PQCs são um tipo de baseada em medição computação quântica (MBQC) que promete sistemas altamente escaláveis e opera à temperatura ambiente.
Em vez de usar portões quânticos, a computação no PQCS depende de medições locais de um estado quântico altamente emaranhado, chamado estado de cluster. Isso requer sensores de fóton único. Além de operar à temperatura ambiente, espera-se que os cálculos nos PQCs sejam mais simples de implementar em comparação com portões complexos de vários quits.
Os sensores de fóton único suportam várias operações nos PQCs, incluindo:
- Detectar o comportamento correlacionado dos fótons para verificar seu estado emaranhado.
- Lendo o estado quântico de um qubit codificado em um fóton.
- Usando teletransporte quântico e fótons emaranhados para transferir informações entre qubits.
Um grande desafio para os pesquisadores do PQC está desenvolvendo detectores de fóton único que podem operar à temperatura ambiente. Os detectores de fótons únicos de nanofios supercondutores (SNSPDs) são atualmente os mais comuns devido à sua alta eficiência e sensibilidade. Os fotodiodos de avalanche (APDs) também são usados. Os APDs podem operar à temperatura ambiente, mas a maioria não possui a sensibilidade necessária para os aplicativos PQC. O trabalho está em andamento para desenvolver novas abordagens de APDs que aumentam o desempenho, mantendo a operação de temperatura ambiente.
Um diagrama de blocos de um SNSPD típico é mostrado em Figura 1. O controlador de polarização encaminha fótons polarizados, o atenuador controla o número médio de fótons e é necessário um Cryocooler para suportar a detecção de fóton único. No lado da saída do SNSPD, o tee de polarização passa a corrente de polarização CC para o dispositivo e o sinal CA do dispositivo para o amplificador que alimenta os resultados no contador de fótons.
SNSPDs are typically fabricated using niobium nitride (NbN) and operate at a temperature below 4 K. They offer several important performance advantages compared with current APD designs including GHz rate counts (rate at which photons can be registered), high detection efficiency of over 90% (actual detection rate compared to the number of incident photons), low dark count rate of 10-4 Hz (eventos de detecção falsos que ocorrem sem a presença de um fóton), o pequeno jitter de menos de 5 ps (variação no tempo quando o detector registra um fóton após sua chegada) e tempo de redefinição de 10 ps muito rápido (atraso entre eventos sucessivos de detecção de fótons).
Sensor de fóton à temperatura ambiente
Foi demonstrado um fotodiodo de Avalanche de Incidência de Incidência Normal (GESI) (GESI) (SPAD) operando a 300 K. Espera-se suportar a operação de PQC em temperatura ambiente usando fótons de infravermelho de ondas curtas (SWIR). O dispositivo foi otimizado para integração com circuitos integrados fotônicos (PICs) e destina -se a suportar gerações futuras de PQCs.
O SPAD utiliza tecnologias Si-On-Insulator baseadas em Si-Wafer (SOI) e GE-on-Si (GOS), comumente empregadas para dispositivos de fotônica de silício (SIPH), para obter compatibilidade complementar de fabricação de fabricação de metal-óxido-semicondutor (CMOS). O Gesi Spad, de guia de ondas, a 300 K realizou, bem como um SNSPD a 4 K.
O Gesi Spad de guia de ondas tem uma estrutura diretacomo mostrado em Figura 2, e pode ser fabricado usando um de cima para baixo ou processo de baixo para cima. Em ambos os casos, o espelho traseiro AL é fabricado pela primeira vez formando uma vala no final do gesi do guia de ondas, através da gravação de óxido, seguida pela deposição e padronização de Al para servir como espelho traseiro.
Resumo
Os PQCs usando SPDs são um tipo de MBQC baseado em estados de cluster e deve ser mais simples de implementar em comparação com computadores quânticos usando portões de vários quits. O SPDS suporta a detecção quântica, leitura e transferência de informações necessárias para implementar o PQC. Os SNSPDs atuais baseados em NBN oferecem alto desempenho, mas devem ser operados a temperaturas abaixo de 4 K. GESI SPADs de temperatura ambiente estão sendo desenvolvidos que são compatíveis com os dispositivos SIPH e oferecem desempenho comparável ao dos SNSPDs de baixa temperatura.
Referências
Uma versátil plataforma de computação quântica baseada em fóton únicaNature Photonics
Contando fótons para computação quânticaPhys.org
Resolução do número de fótons com SNSPDs paralelosID quântico
Roteiro sobre fotônicos quânticos integradosResearchGate
Computação quântica fotônica de temperatura ambiente em fotônicas de silício integradas com diodos de avalanche único de germânio-siliconAPL Quantum
Detectores de fóton únicoNist
Detectores de fóton único para fotônicos quânticos integradosMDPI Photonics
Detectores de fótons únicos de nanofios supercondutores para obter informações quânticasNanofotônica
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