Vědci z EPFL dosáhli průlomu: Nový kvantový detektor s 70% přesností zachytí i neviditelné mikrovlnné fotony

Vědci z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ve spolupráci s dalšími evropskými instituty, včetně Univerzity v Basileji, Lundské univerzity a ETH Curych, vyvinuli miniaturní detektor schopný zachytit mikrovlnné fotony.

Vědci z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ve spolupráci s dalšími evropskými instituty, včetně Univerzity v Basileji, Lundské univerzity a ETH Curych, vyvinuli miniaturní detektor schopný zachytit mikrovlnné fotony. Tyto fotony jsou přibližně 10 000krát slabší než optické fotony, a jejich detekce představuje významný krok vpřed v oblasti kvantových technologií.

Detekce jednotlivých fotonů je obecně náročná, ale v kvantové říši mohou i mikrovlnné fotony hrát klíčovou roli. Běžná zařízení, jako jsou Wi-Fi sítě nebo radary, emitují mikrovlnné fotony, které mohou rušit kvantové experimenty, pokud zůstanou neodhaleny. Proto je pro vědce nezbytné mít spolehlivé detektory pro tyto slabé částice. Technologie používaná pro detekci optických fotonů, která převádí světlo na měřitelný elektrický signál, však pro mikrovlnné fotony nefunguje. Tyto fotony jsou příliš slabé a mají frekvence v rozsahu 0,3–30 GHz, což neumožňuje vyvolat elektrickou odezvu v běžných detektorech.

Tým vědců z EPFL a dalších institucí proto spojil síly a vytvořil detektor, který kombinuje polovodičovou strukturu se supravodivou mikrovlnnou dutinou. Tato kombinace tvoří rezonanční obvod schopný zachytit a změřit mikrovlnné fotony. Jádrem detektoru je dvojitá kvantová tečka, složená ze dvou miniaturních polovodičových ostrůvků, z nichž každý může pojmout jeden elektron. Tyto ostrůvky jsou vytvořeny na heterostruktuře arsenidu gallia a arsenidu hliníku a gallia (GaAs/AlGaAs), která hostí dvourozměrný elektronový plyn, umožňující přesnou kontrolu elektronů. Jedna z bran těchto ostrůvků je připojena k supravodivé dutině, postavené pomocí Josephsonových spojů, které umožňují tok kvantových proudů a dokončují mikrovlnný obvod. Dutina dokáže absorbovat a ukládat mikrovlnné fotony na frekvencích mezi 3 a 5,2 gigahertzy.

Když mikrovlnný foton vstoupí do dutiny a jeho energie odpovídá rozštěpení dvojité kvantové tečky, je absorbován elektronem. To excituje systém, což způsobí, že se elektron přesune směrem k tečkám a poté tuneluje do blízké nádrže. Tím vznikne malý proud, který lze změřit, a tím detekovat mikrovlnný foton. Výkon detektoru byl testován měřením příchozího mikrovlnného signálu a změn v energetických hladinách zařízení. Vědci zjistili, že systém detekoval mezi 55 a 67,7 procenty příchozích fotonů, s maximem 70 procent. To dokazuje, že většina fotonů vstupujících do systému může být spolehlivě detekována.

Důležité je, že detektor pracuje nepřetržitě a resetuje se, jak se elektron pohybuje dovnitř a ven z teček. Vědci jsou přesvědčeni, že tento detektor vyrobený z polovodičového materiálu může výrazně posunout vývoj kvantových počítačů využívajících spinové qubity. Jak uvedl Pasquale Scarlino, výzkumník z EPFL, tato práce nejenže stanovuje nový standard pro polovodičové detektory mikrovlnných fotonů, ale také otevírá nové perspektivy pro kvantovou mikrovlnnou optiku, kvantové snímání a škálovatelné platformy pro kvantové informace.