Depuis que le National Institute of Standards and Technology (NIST) a construit ses premiers dispositifs supraconducteurs pour compter les photons (les plus petites unités de lumière) dans les années 1990, ces détecteurs autrefois rares sont devenus des outils de recherche populaires partout dans le monde. Maintenant, Le NIST a fait un pas vers l'activation de normes universelles pour ces appareils, qui deviennent de plus en plus importants dans la science et l'industrie.

Les détecteurs à photon unique (SPD) sont désormais essentiels dans des domaines de recherche allant des communications optiques et de l'astrophysique aux technologies de l'information de pointe basées sur la physique quantique, comme la cryptographie quantique et la téléportation quantique.

Pour garantir leur précision et leur fiabilité, Les SPD doivent être évalués et comparés à certains points de référence, idéalement une norme formelle. Les chercheurs du NIST développent des méthodes pour le faire et ont déjà commencé à effectuer des étalonnages personnalisés pour la poignée d'entreprises qui fabriquent des SPD.

L'équipe du NIST vient de publier des méthodes de mesure de l'efficacité de cinq SPD, dont une réalisée au NIST, en prélude à l'offre d'un service d'étalonnage officiel.

« Il s'agit d'une première étape vers la mise en œuvre d'une norme quantique :nous avons produit un outil pour vérifier une future norme de détection de photons uniques, " Le physicien du NIST Thomas Gerrits a déclaré. " Il n'y a pas de norme en ce moment, mais de nombreux instituts nationaux de métrologie, dont le NIST, travaillent là-dessus."

"Il y a déjà eu des articles de revues sur ce sujet auparavant, mais nous avons fait des analyses d'incertitude approfondies et décrit en détail comment nous avons fait les tests, " a déclaré Gerrits. " L'objectif est de servir de référence pour notre service d'étalonnage prévu. "

Le NIST est particulièrement qualifié pour développer ces méthodes d'évaluation car l'institut fabrique les SPD les plus efficaces au monde et améliore constamment leurs performances. Le NIST est spécialisé dans deux conceptions supraconductrices, l'une basée sur des nanofils ou des nanobandes, évalué dans la nouvelle étude, et capteurs de bord de transition, à étudier prochainement. Les travaux futurs pourraient également aborder les normes pour les détecteurs qui mesurent des niveaux de lumière très faibles mais ne peuvent pas compter le nombre de photons.

Dans le système métrique moderne, connu sous le nom de SI, l'unité de mesure de base la plus étroitement liée à la détection de photons est la candela, qui concerne la lumière détectée par l'œil humain. Les futures redéfinitions du SI pourraient inclure des normes de comptage de photons, qui pourrait offrir un moyen plus précis de mesurer la lumière en termes de candela. Les niveaux de lumière à photon unique sont inférieurs à un milliardième des montants dans les normes actuelles.

Le nouveau document détaille l'utilisation par le NIST de technologies conventionnelles pour mesurer l'efficacité de la détection SPD, défini comme la probabilité de détecter un photon frappant le détecteur et produisant un résultat mesurable. L'équipe du NIST a veillé à ce que les mesures soient traçables par rapport à une norme primaire pour les wattmètres optiques (le radiomètre cryogénique optimisé au laser du NIST). Les compteurs maintiennent la précision lorsque les mesures sont réduites à des niveaux de luminosité faibles, l'incertitude de mesure globale étant principalement due à l'étalonnage du wattmètre.

Les chercheurs ont mesuré l'efficacité de cinq détecteurs, y compris trois photodiodes au silicium à comptage de photons et le détecteur à nanofils du NIST. Les photons ont été envoyés par fibre optique pour certaines mesures et par voie aérienne dans d'autres cas. Des mesures ont été effectuées pour deux longueurs d'onde différentes de lumière couramment utilisées dans les fibres optiques et les communications. Les incertitudes allaient d'un minimum de 0,70 % pour les mesures dans la fibre à une longueur d'onde de 1533,6 nanomètres (nm) à 1,78 % pour les lectures en direct à 851,7 nm.