Always-on, highly efficient microwave photon detector based on a superconducting artificial molecule
本文提出了一种基于超导人工分子的连续运行、高效率微波单光子探测器，该探测器通过利用驱动-耗散转移机制将光子捕获在亮态中，并通过量子跃迁在长寿命暗态中将其揭示，从而克服了传统的检测效率与占空比之间的权衡。
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想象一下量子物理的世界，就像一片广袤而寂静的海洋，微小的能量涟漪——被称为光子——在其中以光速穿行。在可见光的世界里，我们拥有极佳的工具来捕捉这些涟漪；我们可以将它们一个接一个地计数，就像用桶接住雨滴一样。这种能力帮助我们制造了激光器、构建了安全的互联网连接，并测试了宇宙中奇特的规则。但存在着另一种不同的海洋：微波领域。这里的能量涟漪要微弱得多，就像是与呐喊相比之下最轻微的低语。捕捉单个微波光子极其困难，因为它们太容易被遗漏或与背景噪声混淆。
长期以来，科学家们在面对这些微波低语时面临着一个令人沮丧的困境。为了捕捉它们，他们必须建造类似于快门很慢的相机的探测器：它们可以拍下一张照片（检测到一个光子），但随后必须停止、重置，然后等待拍摄下一张照片。这意味着，如果光子在相机重置期间到达，它就会永远丢失。这是一种权衡：你可以在观察时非常擅长捕捉光子，但你无法一直观察。这使得研究随机发生的事件变得非常困难，比如自旋翻转的原子或神秘的粒子搜索，因为每当你的探测器在“眨眼”时，你都会错过精彩瞬间。
现在，来自查尔姆斯理工大学的一个研究小组制造出了一种新型探测器，解决了这个问题。他们创造了一个设备，其作用类似于一个“超导人工分子”，这是一个由两个相连的量子电路组成的微型机器。它不是通过拍照和重置来工作，而是始终开启，不断倾听。它是这样工作的：想象一个明亮且嘈杂的房间（“对称态”），传入的微波光子由此进入。这个机器有一个特殊的陷阱门，能瞬间将这些光子推入一个安静、黑暗的壁橱（“暗态”），在那里它们保持隐藏且安全。机器始终盯着这个壁橱。如果一个光子跳了进去，它会引起壁橱能量产生一个微小的、可检测到的“跳跃”，就像老鼠在地板上窜动一样。因为机器始终在观察，所以它永远不会错过任何一个光子，即使它们是随机到达的。
研究人员测试了这种新探测器，发现它的表现非常出色。当他们在连续模式下运行时，它成功捕捉到了撞击它的 47% 的光子，且误报率（称为“暗计数”）极低，仅为每秒 1.3 千次。它还能以 1 微秒的精度识别光子的到达时间，并且在准备好迎接下一个光子之前仅需 15 微秒进行重置。这是一件大事，因为它证明了我们终于可以拥有一种既高效又“始终在线”的探测器。虽然目前的版本由于机器构造的原因仍会遗漏一些光子，但团队展示了这并非该理念的根本限制，而只是一个可以在未来设计中解决的障碍。通过克服旧有的效率与“始终在线”之间的权衡，这一新工具为更先进的量子传感器、更强大的量子计算机以及对物理学基本定律更深入的研究打开了大门。
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