Les ingénieurs ont montré qu'une méthode largement utilisée pour détecter des photons uniques peut également compter la présence d'au moins quatre photons à la fois. Les chercheurs affirment que cette découverte débloquera de nouvelles capacités dans les laboratoires de physique travaillant en science de l'information quantique à travers le monde, tout en offrant des voies plus faciles pour développer des technologies quantiques.

L'étude était une collaboration entre Duke University, l'Ohio State University et le partenaire industriel Quantum Opus, et paru en ligne le 14 décembre dans le journal Optique .

"Les experts dans le domaine essayaient de le faire il y a plus d'une décennie, mais leurs calculs au fond de l'enveloppe ont conclu que ce serait impossible, " a déclaré Daniel Gauthier, un professeur de physique à l'Ohio State qui était auparavant la chaire de physique à Duke. "Ils ont continué à faire des choses différentes et ne l'ont jamais revu. Ils avaient en tête que ce n'était pas possible et que cela ne valait pas la peine d'y consacrer du temps."

« Quand nous avons présenté nos données, les experts mondiaux ont été époustouflés, " a poursuivi Jungsang Kim, professeur de génie électrique et informatique à Duke. "C'est bien d'avoir un groupe comme le nôtre qui a commencé un peu plus tard et qui décide d'essayer quelque chose parce que nous n'avions pas d'œillères."

La découverte porte sur une nouvelle méthode d'utilisation d'un détecteur de photons appelé détecteur à nanofil supraconducteur à photon unique (SNSPD).

Au cœur du détecteur se trouve un filament supraconducteur. Un supraconducteur est un matériau spécial qui peut transporter un courant électrique indéfiniment sans aucune perte à basse température. Mais tout comme un morceau de fil de cuivre normal, un supraconducteur ne peut transporter qu'une quantité d'électricité à la fois.

Un SNSPD fonctionne en chargeant un segment bouclé de fil supraconducteur avec un courant électrique proche de sa limite maximale. Lorsqu'un photon passe, il fait chuter cette limite maximale dans une petite partie du fil, créant une brève perte de supraconductivité. Cette perte, à son tour, provoque un signal électrique pour marquer la présence du photon.

Dans la nouvelle configuration, les chercheurs portent une attention particulière à la forme spécifique du pic initial du signal électrique, et montrer qu'ils peuvent obtenir suffisamment de détails pour compter correctement au moins quatre photons voyageant ensemble dans un paquet.

"La résolution du nombre de photons est très utile pour de nombreuses expériences d'information/communication quantique et d'optique quantique, mais ce n'est pas une tâche facile, " a déclaré Clinton Cahall, doctorant en génie électrique à Duke et premier auteur de l'article. "Aucune des options commerciales n'est basée sur des supraconducteurs, qui offrent les meilleures performances. Et tandis que d'autres laboratoires ont construit des détecteurs supraconducteurs avec cette capacité, ils sont rares et manquent de la facilité de notre configuration ainsi que de sa sensibilité dans des domaines importants tels que la vitesse de comptage ou la résolution de synchronisation."

Pour que d'autres laboratoires utilisent la découverte, tout ce dont ils auraient besoin, c'est d'un type d'amplificateur spécifique pour amplifier le minuscule signal électrique du SNSPD. L'amplificateur doit fonctionner aux mêmes basses températures que le SNSPD - moins 452 degrés Fahrenheit - pour réduire le bruit de fond. Il doit également avoir une large bande passante pour éviter de déformer le signal. De tels amplificateurs sont déjà disponibles dans le commerce et de nombreux laboratoires en disposent.

Les résultats permettront aux chercheurs du monde entier travaillant en mécanique quantique d'acquérir immédiatement de nouvelles capacités avec leur équipement existant. A titre d'exemple, le groupe Duke-Ohio State a également récemment rapporté comment l'utilisation de la synchronisation des photons entrants en plus de leurs états quantiques pourrait considérablement augmenter la vitesse des techniques de cryptage quantique.

L'équipe travaille maintenant à optimiser sa configuration pour voir jusqu'où elle peut étendre ses capacités. Ils croient qu'avec la bonne électronique et un peu de pratique, ils pouvaient compter 10 ou même 20 photons à la fois. Le groupe a également déposé un brevet pour créer des appareils sur étagère basés sur leur méthode.