2021年5月20日,马萨诸塞州剑桥市,雷神公司BBN Technologies的研究人员开发了一种基于约瑟夫逊结的单光子检测方法。雷神公司量子信息处理科学家金钟芳指出,这项进步有望刺激传感器,通信和量子处理技术的发展,其特点是约瑟夫逊结的作用类似于电子系统中晶体管的作用。 BBN Technologies。方亦是哈佛大学的研究助理。


该工作建立在先前对微波辐射探测器的研究之上,该探测器的灵敏度比现有系统高出100,000倍。新工作集中在光子上,光子的波长比微波短四个数量级。


Fong告诉Photonics Media,“为了检测光子,我们通常使用可见光和近红外光子的光检测器,其中的放大器用于微波。”


BBN开发了一种基于约瑟夫逊结的单光子检测方法,有望推进量子通信的发展

此插图描绘了一个新开发的组件,称为约瑟夫森结,可以检测光的单个光子。 由雷神智能与太空公司领导的这项研究在传感器,通信和量子计算机方面具有潜在的应用, 由雷神BBN Technologies提供


“自从布莱恩·约瑟夫森(Brian Josephson)发现约瑟夫森结并赢得诺贝尔奖以来,已有50多年的历史,许多人一直在问他的发现是否可以用于测量光子,”方说。


他和他的团队采用石墨烯来制造该设备。Fong解释了该过程的工作原理,该过程从激光开始。


Fong告诉Photonics Media,“脉冲调制是为了减少光子的数量,然后再通过光纤到达容纳我们约瑟夫森结的寒冷环境。该设备是由具有石墨烯的超导体制成的。当光子进入探测器时,它将打破超导库珀对,并产生正常的电子、产生噪声、触发探测器,并记录光子。”


BBN开发了一种基于约瑟夫逊结的单光子检测方法,有望推进量子通信的发展


方说,该设备目前在非常低的温度下运行。但是,可以将其增加以整合到更高温度的技术中。


“我们有可能利用这一突破作为光互连,通过光纤连接来通信和控制量子计算机。本发明本质上是一种在低温环境下用于高性能计算环境的光敏开关。” Fong说:“鉴于我们现在有一个基于约瑟夫森结的[单光子]探测器,我们设想这项新发明可用于在更高温度下开发量子计算机和网络。”


研究人员计划进一步研究该过程,以加深他们对噪声如何精确触发约瑟夫森结以检测单个光子的理解。


关于这项技术的应用,Fong说:“我首先想到的是光学互连,它将光子转换成电信号,反之亦然。使用单光子检测器可以允许一种配置,其中直接用光而不是电磁设备来控制量子计算机。然后我们可以考虑如何通过光链路建立量子网络。此外,我们可以将光检测为单个量子,还可以检测光子本身的量子状态。我们现在正在努力开发一种可以看到光子数状态的新探测器。这样的检测器将有助于保护通信链路免遭窃听和攻击。”


这项研究发表在《科学》上。



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