Микроволновые фотоны примерно в 10 000 раз слабее оптических фотонов, что затрудняет их обнаружение с помощью обычных детекторов.
Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали крошечный детектор, способный улавливать микроволновые фотоны, которые примерно в 10 000 раз слабее оптических фотонов.
В этой работе, направленной на развитие квантовых технологий, также принимали участие другие европейские институты, в том числе Базельский университет, Лундский университет и Цюрихский технический институт.
Обнаружение отдельного фотона — сложная задача, но по мере того, как ученые углубляются в квантовую область, даже микроволновые фотоны могут иметь значение. Обычные устройства, такие как Wi-Fi или радары, излучают микроволновые фотоны, которые могут создавать помехи для квантовых экспериментов, если останутся незамеченными. Поэтому ученым необходимы надежные детекторы микроволновых фотонов.
Однако технология, работающая для обнаружения фотонов, не подходит для микроволновых фотонов. При обнаружении фотонов устройства преобразуют поступающий свет в электрический сигнал, который можно измерить. Но микроволновые фотоны гораздо слабее и имеют частоты в диапазоне 0,3–30 ГГц, которые не могут вызвать электрический сигнал от детектора, что требует иной установки, чем та, которую используют ученые.
На помощь приходит двойная квантовая точка.
Исследователи из EPFL и других институтов Европы объединили усилия для создания крошечного детектора, который сочетает в себе полупроводниковую структуру со сверхпроводящим микроволновым резонатором, образуя резонансный контур, способный улавливать микроволновые фотоны и измерять их.
В основе детектора лежит двойная квантовая точка, состоящая из двух крошечных полупроводниковых островков. Каждый из этих островков может содержать один электрон. Островки выращиваются на гетероструктуре арсенида галлия/арсенида алюминия-галлия (GaAs/AlGaAs), которая содержит двумерный электронный газ, что позволяет точно контролировать электроны.
Один из затворов этих островов соединен со сверхпроводящей полостью, построенной с использованием джозефсоновских переходов, которые позволяют протекать квантовым токам и замыкать микроволновую цепь. Полость может поглощать и хранить микроволновые фотоны на частотах от 3 до 5,2 гигагерц.
Как это работает?
Когда микроволновой фотон попадает в резонатор, и его энергия совпадает с энергией расщепления квантовой двойной точки, он поглощается электроном. Это возбуждает систему, заставляя электрон двигаться к точкам, а затем туннелировать в близлежащий резервуар. Это создает крошечный ток, который можно измерить, тем самым регистрируя микроволновой фотон.
Для оценки характеристик детектора исследователи сначала измерили входящий микроволновый сигнал, отслеживая изменения уровней энергии устройства. Затем они измерили ток исток-сток через устройство на основе двойных квантовых точек по мере увеличения мощности микроволнового излучения. Когда сигнал был настолько слабым, что присутствовало менее одного фотона, ток возрастал пропорционально.
Исследователи отметили, что система обнаружила от 55 до 67,7 процентов поступающих фотонов, достигнув пика в 70 процентов. Это демонстрирует, что большинство фотонов, попадающих в систему, могут быть надежно обнаружены.
Что еще более важно, детектор работает непрерывно и перезагружается по мере того, как электрон входит и выходит из точек. Исследователи уверены, что детектор, созданный с использованием полупроводникового материала, может способствовать развитию квантовых вычислений с использованием спиновых кубитов.
«Помимо установления нового стандарта для полупроводниковых микроволновых фотодетекторов, эта работа открывает новые перспективы для квантовой микроволновой оптики, квантового зондирования и масштабируемых платформ квантовой информации», — сказал Паскуале Скарлино, исследователь из EPFL, принимавший участие в работе.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.
Sourse: interestingengineering.com
