Quantum Radiometric Calibration

Probleemstelling

De ontwikkeling van optische kwantumcomputing, kwantumcommunicatie en kwantumsensoren vereist fotodioden met een uitzonderlijk hoge kwantumefficiëntie (nabij 100%) voor het detecteren van grote fotonfluxen (ongeveer $10^{16}$ fotonen per seconde). Bestaande radiometrische kalibratiemethoden, die vaak beginnen met elektrisch gekalibreerde cryogene radiometers, zijn complex, vereisen meerdere stappen en zijn niet altijd in situ (ter plaatse) toepasbaar op de specifieke meetfrequenties van de gebruiker.

Een eerdere poging tot kwantumbased kalibratie (Vahlbruch et al., 2016) gebruikte geperste lichttoestanden, maar miste een theoretische beschrijving van de kalibratiesignaal-kwaliteit en had te kampen met grote systematische fouten door een onnauwkeurige schatting van de "ontsnappingsefficiëntie" ($\eta_{esc}$) van het geperste resonator. Dit leidde tot onzekerheden die de nauwkeurigheid van de totale kalibratie beperkten.

Methodologie: Quantum Radiometric Calibration (QRC)

De auteurs presenteren een nieuwe methode, Quantum Radiometric Calibration (QRC), die volledig gebaseerd is op de Heisenberg-onzekerheidsrelatie en de eigenschappen van geperste vacuümtoestanden.

1. Principe: De methode meet het product van de onzekerheid van twee orthogonale elektrische veldkwaliteiten ($\hat{X}$ en $\hat{Y}$) van een geperste vacuümtoestand met behulp van een gebalanceerde homodyne detector (BHD) met twee te kalibreren fotodioden.
2. Theoretische Basis: Voor een zuivere geperste toestand geldt dat het product van de varianties $\Delta^2\hat{X} \cdot \Delta^2\hat{Y} \geq 1$. Elke verliesfoton (door imperfecte efficiëntie) vergroot dit product. Door de gemeten varianties te vergelijken met het theoretische "Heisenberg-referentie"-product (zonder verlies), kan de totale systeem-efficiëntie ($\eta$) worden berekend.
3. Oplossing van de "Escape Efficiency": Een cruciale innovatie is de in-situ meting van de ontsnappingsefficiëntie ($\eta_{esc}$) van de geperste resonator. In plaats van te vertrouwen op literatuurwaarden voor absorptie of coating-specificaties, meten de auteurs de reflectiviteit van de koppelingspiegel en de ronde-tijd-verliezen ($\ell_{rt}$) direct door een zwakke hulplaser door de resonator te sturen en de gereflecteerde intensiteit te scannen. Dit elimineert de grootste bron van systematische fouten uit eerdere experimenten.
4. Splitsing van Efficiënties: De totale efficiëntie wordt ontbonden in:
   $$\eta = \eta_{esc} \cdot \eta_{prop} \cdot \eta_{mm} \cdot \eta_{DE}$$
   Waarbij $\eta_{DE}$ de detectie-efficiëntie van de fotodiode is, $\eta_{esc}$ de ontsnapping uit de resonator, $\eta_{prop}$ de propagatie-efficiëntie en $\eta_{mm}$ de modus-matchings-efficiëntie.

Experimentele Opstelling

• Bron: Een 1550 nm vezellaser wordt gebruikt voor parametrische down-conversie (PDC) in een PPKTP-kristal om 10-dB geperste vacuümtoestanden te genereren.
• Detector: Twee identieke, commercieel beschikbare "HQE" fotodioden (Laser Components) worden gebruikt in een BHD-configuratie.
• Meetcondities: De metingen vinden plaats bij een zijbandfrequentie van 5 MHz (niet bij DC) om de specifieke werkfrequentie van de toepassing te simuleren.
• Data-analyse: De fase van de homodyne detector wordt continu gescand om zowel de geperste ($\Delta^2\hat{X}$) als de anti-geperste ($\Delta^2\hat{Y}$) varianties te bepalen.

Belangrijkste Resultaten

De auteurs hebben de efficiëntie van de fotodioden voor 1550 nm nauwkeurig bepaald:

• Ontsnappingsefficiëntie ($\eta_{esc}$): Bepaald op (98,583 ± 0,015)%. Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van eerdere schattingen.
• Totale Detectie-efficiëntie ($\eta_{DE}$): De gecombineerde efficiëntie van de twee dioden is berekend als (97,20 ± 0,37)%.
• Kwantumefficiëntie ($\eta_{QE}$): Na correctie voor donkerstroom is de kwantumefficiëntie (96,9 ± 0,4)%.
• Invloed van Retro-reflexie: De auteurs merken op dat het gebruik van een retro-reflector (om gereflecteerd licht terug te sturen) de waarden met ongeveer 0,46% zou verhogen, maar zelfs dan blijven de waarden onder de vereisten voor toonaangevende toepassingen.

Significantie en Conclusie

• Onverwacht lage efficiëntie: De gemeten efficiëntie van ~97% is verrassend laag voor de "beste" commercieel beschikbare dioden. De auteurs concluderen dat deze efficiëntie onvoldoende is voor toekomstige optische kwantumcomputers (die >99% vereisen voor fouttolerantie) en voor de Einstein Telescope (gravitatiegolfdetector), die 10-dB geperst licht bij 1550 nm wil gebruiken.
• Methodologische doorbraak: De QRC-methode biedt een absolute kalibratie met een onzekerheid van slechts 0,37%, puur gebaseerd op kwantumcorrelaties en het foto-elektrisch effect, zonder tussenkomst van pyro-elektrische of thermische detectoren.
• Toekomstperspectief: De methode is in situ, frequentie-specifiek en schaalbaar. Het resultaat is een duidelijke uitdaging aan de fabrikanten om fotodioden te ontwikkelen met efficiënties die dichterbij de 100% liggen om de volgende generatie kwantumtechnologieën mogelijk te maken.

Samenvattend presenteert dit artikel een theoretisch onderbouwde en experimenteel geverifieerde methode om fotodioden met ongekende nauwkeurigheid te kalibreren, waarbij het blootlegt dat de huidige stand van de techniek nog niet toereikend is voor de meest veeleisende kwantumtoepassingen.