Forskere ved Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT) i Kina har utviklet en detektor med 100 kanaler for enkeltfotoner. Teknologien kan bidra til utviklingen av bredbåndsbaserte kvantenettverk, og en prototypetest viste at over 90 prosent av kvanteinformasjonen ble bevart i kommunikasjonen.

En viktig komponent i kvantenettverk

Utviklingen innen kvantedatabehandling og kvantesansing gjør at det snart kan bli behov for egne nettverk for kvanteinformasjon. Flere tilnærminger testes, men nettverk som ligner dagens optiske fibernett, kan bli aktuelle fordi de vil være enklere å ta i bruk.

Detektorer for enkeltfotoner, ofte kalt SPD-er, er sentrale komponenter i slike nettverk. De måler fotoner – individuelle lyspartikler – som kan brukes til å lagre kvanteinformasjon.

SPD-er kan brukes i fiberoptiske forbindelser og rombaserte forbindelser for overføring av kvantedata. De kan også bidra til kvanteforvikling og kvanteteleportasjon ved å overføre kvantetilstander til fotoner.

Lav temperatur skaper en teknisk utfordring

For at kvanteteknologien skal kunne utvikles og skaleres, trengs det detektorer med større kapasitet. To typer enkeltfoton-detektorer brukes i dag i kvanteforskningen.

Superledende nanotråd-detektorer for enkeltfotoner, kjent som SNSPD-er, er svært presise optoelektroniske enheter. De krever imidlertid ekstremt lave temperaturer. SPAD-detektorer, eller enkeltfoton-lavinedioder, kan fungere ved romtemperatur, men har ikke like høy nøyaktighet. Derfor foretrekkes SNSPD-er i forskningen.

De lave temperaturkravene skaper samtidig problemer. SNSPD-en er koblet til instrumenter ved romtemperatur for å lese av signalene. Dette gjøres vanligvis med koaksialkabler laget av relativt tykke og varmeledende metaller.

Kablene gjør at varme fra romtemperatur kan bevege seg inn i det kryogene kammeret der detektoren arbeider. Denne varmebelastningen øker når antallet kanaler blir større, fordi hver kanal krever flere kabler. Derfor har antallet detektorer vanligvis vært begrenset til 32 kanaler.

Byttet ut koaksialkablene

SIMIT-forskerne redesignet SNSPD-en og erstattet koaksialkablene med spesielle, fleksible materialer kalt høy-tetthets flerkjernede mikrostriplinjer.

Mikrostriplinjene er svært tynne og isolerer samtidig mot varme. Ifølge forskerteamet var varmen som trengte inn i systemet, én tjueførstedel av varmen fra de tradisjonelle kablene.

Det gjorde det mulig å legge til flere uavhengige kanaler uten en betydelig økning i detektorens størrelse. Forskerne opplyser også at systemet beholdt langsiktig stabilitet.

Stabil drift under syv døgns test

For å teste konstruksjonen lot forskerne detektoren kjøre døgnet rundt i sju dager. Temperaturen i det kryogene kammeret holdt seg under 2,1 kelvin, svært nær det absolutte nullpunktet på 0 kelvin, som tilsvarer −273,15 grader Celsius.

Under testen hadde kanalene en deteksjonseffektivitet på 80 prosent. Forskerne rapporterte samtidig svært få falske positiver.

Teamet bygget også et kvanteforviklingsnettverk for fem brukere, med ti toveis kvantelenker, for å teste systemet i en mer realistisk situasjon. Hver bruker mottok fotoner gjennom de nyutviklede kanalene i detektoren.

Kommunikasjonstrofastheten – altså hvor godt kvanteinformasjonen ble bevart – var på over 90 prosent. Forskningsresultatene er publisert i tidsskriftet Laser & Photonics Reviews.