Noise Mitigation in Single Microwave Photon Counting by Cascaded Quantum Measurements

In der unsichtbaren Welt der Quantenphysik versuchen Wissenschaftler ständig, dem leisesten Flüstern der Natur zu lauschen. Seit Jahrzehnten ist der Nachweis einzelner Lichtteilchen, bekannt als Photonen, ein Eckpfeiler der optischen Wissenschaft und ermöglicht Technologien von der fortschrittlichen medizinischen Bildgebung bis hin zu den sichersten Formen des Computings. Das Licht tritt jedoch in vielen Formen auf, und die Photonen, die in modernen Quantencomputern verwendet werden, sind nicht die hellen, sichtbaren Strahlen, die wir mit unseren Augen sehen. Dies sind Mikrowellenphotonen, die wesentlich weniger Energie tragen als sichtbares Licht. Da sie so schwach sind, ist es unglaublich schwierig, ein einzelnes von ihnen nachzuweisen; bei Raumtemperatur erzeugt die Hitze der Umgebung ein Brüllen von Rauschen, das das Signal vollständig übertönt. Um dieses leise Flüstern zu hören, müssen Forscher ihre Ausrüstung auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlen, kälter als die Tiefen des Weltraums. Selbst dann bleibt die Herausforderung bestehen: ein einzelnes, kostbares Mikrowellenphoton vom zufälligen thermischen Rauschen zu unterscheiden, das natürlich im System existiert.

Ein Team von Forschern hat nun einen neuen Weg entwickelt, um diesem Flüstern mit einer bisher nie dagewesenen Klarheit zu lauschen. Sie haben ein Gerät gebaut, das einzelne Mikrowellenphotonen mit einer Sensitivität zählen kann, die zuvor nie erreicht wurde. Der Schlüssel zu ihrem Erfolg liegt in einer Strategie der Redundanz. Anstatt sich auf einen einzelnen Sensor zu verlassen, um die Entscheidung zu treffen, verwendet ihr Gerät zwei separate Quantenbits, die wie winzige, ultrasensitive Flaggen fungieren. Wenn ein Photon in das System eintritt, löst es eine Kettenreaktion aus, die beide Flaggen umkippen muss, um die Detektion zu bestätigen. Wenn nur eine Flagge umkippt, nimmt das System an, es handele sich um einen zufälligen Fehler, und ignoriert ihn. Diese einfache, aber kraftvolle Idee ermöglicht es dem Gerät, eine enorme Menge an Fehlalarmen durch zufällige Fehler herauszufiltern, sodass ein klares Signal des tatsächlichen Photons zurückbleibt.

Die Forscher, die mit Geräten arbeiteten, die auf etwa zehn Millikelvin gekühlt waren, demonstrierten, dass diese neue Architektur, die sie einen kaskadierten Einzel-Mikrowellenphotonendetektor nennen, mit einem rekordverdächtigen Maß an Präzision arbeiten kann. In ihren Experimenten maßen sie die Fähigkeit des Geräts, Leistung zu detektieren, und fanden heraus, dass es Signale messen konnte, die so schwach wie 2,4 mal 10 hoch minus 23 Watt pro Quadratwurzel aus Hertz sind. Diese Zahl stellt die niedrigste gemessene Leistungssensitivität für die Mikrowellenphotonenzählung dar. Um dies in Perspektive zu setzen: Das Gerät ist so empfindlich, dass es die Anwesenheit eines einzelnen Photons detektieren kann, selbst wenn das Hintergrundrauschen unglaublich niedrig ist – eine Leistung, die mit Einzelsensor-Designs zuvor unmöglich war.

Der Weg zu dieser Errungenschaft beinhaltete die Überwindung erheblicher Hürden im Zusammenhang mit Rauschen. Bei früheren Versuchen wurden die Detektoren oft von thermischen Photonen getäuscht – zufälligen Energiepaketen aus der Wärme der Umgebung – oder durch Fehler der Sensoren selbst. Das neue Design adresset diese Probleme auf zwei verschiedene Arten. Erstens, durch die Verwendung von zwei Sensoren, die übereinstimmen müssen, eliminiert das Gerät effektiv die Fehler, die unabhängig in jedem Sensor auftreten. Zweitens haben die Forscher das Gerät so abgestimmt, dass es bei einer höheren Frequenz von etwa 11,7 Gigahertz arbeitet. Da Photonen mit höherer Frequenz mehr Energie tragen, ist es weniger wahrscheinlich, dass sie durch das zufällige thermische Rauschen, das niedrigere Frequenzen plagt, nachgeahmt werden. Diese Kombination aus einer Dual-Sensor-Prüfung und einer höheren Betriebsfrequenz ermöglichte es dem Team, das Hintergrundrauschen auf ein Niveau zu unterdrücken, auf dem das wahre Signal endlich gehört werden konnte.

Das Team testete sein Gerät, indem es einen Strom von Photonen in den Detektor schickte und beobachtete, wie oft er sie korrekt identifizierte im Vergleich dazu, wie oft er fälschlicherweise behauptete, einen zu sehen. Sie fanden heraus, dass das Gerät Photonen zwar etwa die Hälfte der Zeit korrekt identifizierte, aber nur etwa fünf Mal pro Sekunde Fehlalarme auslöste. Dies ist eine dramatische Verbesserung gegenüber älteren Designs, die hunderte Male pro Sekunde Fehlalarme ausgelöst hätten. Die Forscher zeigten auch, dass sie den Frequenzbereich, den das Gerät belauscht, durch Ändern der Stärke der angewendeten Steuersignale anpassen können, was es ihnen ermöglicht, den Detektor für verschiedene Aufgaben abzustimmen.

Über die technische Errungenschaft hinaus öffnet diese Arbeit die Tür zu neuen wissenschaftlichen Möglichkeiten. Die Fähigkeit, solch niedrige Mengen an Mikrowellenenergie zu messen, bedeutet, dass Wissenschaftler diese Detektoren nun als Primärthermometer nutzen können, um die Temperatur der Mikrowellenumgebung selbst mit extremer Genauigkeit zu messen. Dies ist entscheidend für das Verständnis des Verhaltens von Quantencomputern, bei denen selbst winzige Mengen an Hitze die empfindlichen Berechnungen stören können. Die Forscher merkten auch an, dass ihr Gerät nützlich für den Nachweis von Dunkle-Materie-Kandidaten oder für die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften einzelner Atome sein könnte. Indem sie bewiesen haben, dass sie zuverlässig einzelne Mikrowellenphotonen mit so geringem Rauschen zählen können, haben die Forscher ein leistungsstarkes neues Werkzeug zur Erforschung der Quantenwelt bereitgestellt und eine einst verrauschte Umgebung in einen stillen Raum verwandelt, in dem die leisesten Signale im Detail untersucht werden können.