Noise Mitigation in Single Microwave Photon Counting by Cascaded Quantum Measurements

In de onzichtbare wereld van de kwantumfysica proberen wetenschappers voortdurend te luisteren naar de zwakste fluisteringen van de natuur. Decennialang is het detecteren van enkelvoudige lichtdeeltjes, bekend als fotonen, een hoeksteen van de optische wetenschap geweest, wat technologieën mogelijk maakt van geavanceerde medische beeldvorming tot de meest beveiligde vormen van computing. Licht komt echter in veel vormen voor, en de fotonen die worden gebruikt in moderne kwantumcomputers zijn niet de heldere, zichtbare stralen die we met onze ogen zien. Dit zijn microgolffotonen, die veel minder energie dragen dan zichtbaar licht. Omdat ze zo zwak zijn, is het detecteren van één enkel foton ongelooflijk moeilijk; bij kamertemperatuur creëert de warmte van de omgeving een gebrul van ruis dat het signaal volledig overstemt. Om deze zwakke fluisteringen te horen, moeten onderzoekers hun apparatuur afkoelen tot temperaturen nabij het absolute nulpunt, kouder dan de diepten van de ruimte. Zelfs dan blijft de uitdaging bestaan: het onderscheiden van een enkel, kostbaar microgolffoton van de willekeurige thermische ruis die van nature in het systeem aanwezig is.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier ontwikkeld om naar deze fluisteringen te luisteren met een ongekende helderheid. Ze hebben een apparaat gebouwd dat individuele microgolffotonen kan tellen met een gevoeligheid die nooit eerder is bereikt. De sleutel tot hun succes ligt in een strategie van redundantie. In plaats van te vertrouwen op een enkele sensor om de beslissing te nemen, gebruikt hun apparaat twee afzonderlijke kwantum bits, die fungeren als kleine, ultra-gevoelige vlaggen. Wanneer een foton het systeem binnenkomt, veroorzaakt het een kettingreactie die beide vlaggen moet doen omklappen om de detectie te bevestigen. Als slechts één vlag omklapt, gaat het systeem ervan uit dat het een willekeurige fout was en negeert het dit. Dit eenvoudige maar krachtige idee stelt het apparaat in staat om een enorme hoeveelheid valse alarmen veroorzaakt door willekeurige fouten te filteren, waardoor een helder signaal van het werkelijke foton overblijft.

De onderzoekers, die werkten met apparaten die zijn afgekoeld tot ongeveer tien millikelvin, toonden aan dat deze nieuwe architectuur, die zij een gecascadeerde single-microwave photon detector noemen, kan werken met een recordbrekend niveau van precisie. In hun experimenten maten ze het vermogen van het apparaat om vermogen te detecteren en vonden dat het signalen kon waarnemen die zo zwak zijn als 2,4 maal 10 tot de macht negatief 23 watt per wortel uit hertz. Dit getal vertegenwoordigt de laagst geregistreerde vermogensgevoeligheid ooit gemeten voor microgolffotonen-telling. Om dit in perspectief te plaatsen: het apparaat is zo gevoelig dat het de aanwezigheid van een enkel foton kan detecteren, zelfs wanneer de achtergrondruis ongelooflijk laag is, een prestatie die met single-sensor ontwerpen voorheen onmogelijk was.

Het pad naar deze prestatie vereiste het overwinnen van aanzienlijke hindernissen gerelateerd aan ruis. Bij eerdere pogingen werden de detectoren vaak misleid door thermische fotonen – willekeurige pakketjes energie uit de warmte van de omgeving – of door fouten die de sensoren zelf maakten. Het nieuwe ontwerp pakt deze problemen op twee verschillende manieren aan. Ten eerste, door twee sensoren te gebruiken die met elkaar overeen moeten stemmen, elimineert het apparaat effectief de fouten die onafhankelijk in elke sensor optreden. Ten tweede hebben de onderzoekers het apparaat afgestemd om te werken op een hogere frequentie, rond 11,7 gigahertz. Omdat fotonen met een hogere frequentie meer energie dragen, is de kans kleiner dat ze worden nagebootst door de willekeurige thermische ruis die lagere frequenties teistert. Deze combinatie van een dubbele sensorcontrole en een hogere werkfrequentie stelde het team in staat om de achtergrondruis te onderdrukken tot niveaus waarop het ware signaal eindelijk gehoord kon worden.

Het team testte hun apparaat door een stroom fotonen in de detector te sturen en te observeren hoe vaak het deze correct identificeerde versus hoe vaak het ten onrechte beweerde er een te zien. Ze ontdekten dat hoewel het apparaat fotonen ongeveer de helft van de tijd correct identificeerde, het slechts ongeveer vijf keer per seconde valse alarmen gaf. Dit is een dramatische verbetering ten opzichte van oudere ontwerpen, die honderden keren per seconde valse alarmen zouden geven. De onderzoekers toonden ook aan dat ze het bereik van de frequenties waar het apparaat naar luistert kunnen aanpassen door de sterkte van de toegepaste regelsignalen te veranderen, waardoor ze de detector kunnen afstemmen op verschillende taken.

Buiten de technische prestatie opent dit werk de deur naar nieuwe wetenschappelijke mogelijkheden. Het vermogen om dergelijke lage niveaus van microgolfenergie te meten, betekent dat wetenschappers deze detectoren nu kunnen gebruiken als primaire thermometers, om de temperatuur van de microgolfomgeving zelf met extreme nauwkeurigheid te meten. Dit is cruciaal voor het begrijpen van het gedrag van kwantumcomputers, waarbij zelfs minuscule hoeveelheden warmte de delicate berekeningen die worden uitgevoerd kunnen verstoren. De onderzoekers merkten ook op dat hun apparaat nuttig zou kunnen zijn voor het detecteren van kandidaten voor donkere materie of voor het bestuderen van de magnetische eigenschappen van individuele atomen. Door te bewijzen dat ze betrouwbaar enkelvoudige microgolffotonen kunnen tellen met een dergelijk lage ruis, heeft het team een krachtig nieuw instrument geleverd voor het verkennen van de kwantumwereld, waarbij ze een eens luidruchtige omgeving hebben veranderd in een stille ruimte waar de zwakste signalen in detail bestudeerd kunnen worden.