Исследователи продемонстрировали детекторы одиночных фотонов в широком диапазоне электромагнитного спектра: от гамма-лучей до инфракрасного диапазона частот. Расширение возможности детектирования фотонов до микроволнового диапазона является критической областью активных исследований.
Как сообщает Nature Communications, микроволновый 14 ГГц фотон с энергией всего 50 мкэВ может перевести сверхпроводящий джозефсоновский переход в состояние с конечным напряжением. Это позволит использовать его как эффективный датчик одиночных фотонов. Для тестирования используют объемный медный резонатор с изменяемой температурой. Он изолирует как источник, так и датчик на самой холодной плите криостата растворения для минимизации теплового шума. При нагреве резонатора сильно меняется поток тепловых фотонов в диапазоне от 1 фотона за 1000 секунд до нескольких тысяч фотонов в секунду. Эти движения фиксирует сенсор.
Такой подход обеспечивает сверхнизкую скорость темнового счета 0,1 Гц, общую эффективность детектирования приблизительно 45% и ожидаемую рабочую полосу детектора порядка 1 ГГц. Кроме того, наблюдается супер-Пуассоновская статистика. Она является отчетливой квантовой сигнатурой тепловых фотонов и отличительным признаком квантового хаоса. Эти результаты представляют собой важную веху в разработке практических микроволновых однофотонных детекторов с многообещающими приложениями в квантовой обработке информации и поиске темной материи.
Еще в 1930-х годах астрономические наблюдения показали: видимой массы галактик недостаточно для удержания звезд в скоплениях — они должны были разлететься, но остаются связанными. Значит, существует невидимый гравитационный компонент, который «склеивает» галактики в единую систему. Неизвестные типы частиц, которые проявляют себя через гравитационное влияние на астрономические объекты, но которые пока не удается обнаружить, были названы «темной материей». Темная материя пронизывает всю Вселенную, присутствуя не только в галактиках, но и в межгалактическом пространстве. Современные данные свидетельствуют: лишь около 5% Вселенной состоит из изученной материи, тогда как 25% приходится на темную материю.
Сегодня лаборатории по всему миру разрабатывают экспериментальные установки для обнаружения аксионов — одного из основных кандидатов на роль частиц темной материи. Это легкие частицы, которые слабо взаимодействуют с обычным веществом и могут превращаться в фотоны в сильном магнитном поле. Теоретические модели предсказывают возможное существование аксионов в широком частотном диапазоне. Сейчас наиболее вероятная область их обнаружения — между 5 и 50 ГГц.
Раньше ученые не могли искать аксионы в этом диапазоне — не было подходящих приборов: линейные усилители ограничены квантовым пределом, а требуется более высокая чувствительность. Предложенный однофотонный детектор не ограничен квантовым пределом и измеряет только амплитуду сигнала. Создание таких детекторов позволяет начать эксперименты по поиску аксионов в России в наиболее актуальном диапазоне частот, не исследованном ранее.
Ранее ученые из Швейцарии придумали, как сделать важные составляющие квантовых устройств меньше, точнее и надежнее.
