光子计数趋于常规,标准制定指日可待-陕西和力计量检测服务有限公司
光子计数趋于常规,标准制定指日可待
发布时间:2020-03-05 10:55:46

自从美国国家标准与技术研究院(NIST)在20世纪90年代建造了第一个用于光子(最小光单位)计数的超导设备以来,这些曾经罕见的探测器已经成为全世界流行的研究工具。现在,NIST已经朝着这些设备的通用标准迈出了一步,这些标准在科学和工业中变得越来越重要。

来源:NIST

      从光通信和天体物理学到基于量子物理学的前沿信息技术(如量子密码学和量子隐形传态),单光子探测器在这些研究领域中起着至关重要的作用。

      为了确保单光子探测器的准确性和可靠性,需要对单光子探测器进行评估,并将其与一些基准(正式标准为佳)进行比较。NIST的研究人员正在开发实现这一目标的方法,并且已经开始为少数制造单光子探测器的公司进行定制校准。 

      NIST团队刚刚发布了测量五种单光子探测器效率的方法,包括NIST开发的一种,作为提供官方校准服务的前奏。

      “这是实现量子标准的第一步——我们制作了一个工具来验证未来的单光子检测标准。”NIST的物理学家Thomas Gerrits说道,“目前还没有标准,但包括NIST在内的许多国家计量机构正在研究这个问题。”

      “以前有关于这个主题的期刊论文,但是我们做了深入的不确定性分析,并详细描述了我们是如何做测试的,”Gerrits说,“目的是为我们计划中的校正服务提供参考。”

      NIST是唯一有资格开发这些评估方法的机构,因为它制作了世界上最高效的单光子探测器并不断提高它们的功效。NIST专门从事两种超导设计——一种是基于已在新的研究中进行了评估的纳米线或纳米带;另一种是即将进行研究的过渡边缘传感器。未来的工作可能还会涉及测量极弱光光度,该检测器可测量非常低的光照水平,但无法计算光子数。

带探测器的硅片 来源:NIST

超导纳米线单光子探测器8*8阵列和实时视频 来源:NIST

两个光子的量子干涉特性 来源:NIST

 

      在被称为SI的现代米制中,与光子探测最密切相关的基本测量单位是坎德拉,它与人眼探测到的光有关。未来国际单位制的重新定义可能包括光子计数标准,这将提供一种更精确的光测量方法,单光子的光度低于目前标准的十亿分之一。

      NIST发表的题为Calibration of free-space and fiber-coupled single-photon detectors(《自由空间及光纤耦合单光子探测器的校正》,点击下载)详细介绍了NIST使用传统技术来测量单光子探测器检测效率,即检测光子击中探测器并产生可测量结果的概率。NIST团队确保了测量数据可溯源至光功率计的基准(NIST的激光优化低温辐射计)。当测量范围缩小到极弱光光度时,仪表能够保持其精度,此时整体测量的不确定度主要源于功率计的校准。

      研究人员测量了5种探测器的效率,包括3个硅光子计数光电二极管和NIST的纳米线探测器。在一些测量中,光子是由光纤发送的,而在另一些情况下则是通过空气传输的。测量适用于光纤和通信中常用的两种不同波长的光,不确定度范围从1533.6nm波长的光纤测量值的0.70%到851.7nm的空中读数的1.78%。