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Neue Methode hilft beim Photonenzählen für optische Quantencomputer
Für optische Quantencomputer reicht es nicht, das Eintreffen von Lichtteilchen nur zu registrieren. Eine neue Signalauswertung kann bei supraleitenden Nanodraht-Detektoren zwischen einem, zwei und mindestens drei Photonen unterscheiden. Die Methode stellt vergleichsweise geringe Anforderungen an die Elektronik, doch ihre Ergebnisse sind nicht fehlerfrei und eine Echtzeitanwendung steht noch aus.
Leiden (Niederlande). Licht lässt sich zur Verarbeitung von Quanteninformationen nutzen, indem einzelne Photonen kontrolliert erzeugt, verändert und schließlich gemessen werden. Bei solchen Berechnungen hängt das Messergebnis nicht nur davon ab, ob überhaupt ein Photon ankommt, sondern oft auch von der Anzahl gleichzeitig eintreffender Lichtteilchen.
Herkömmliche Einzelphotonendetektoren reagieren auf einen Treffer mit einem elektrischen Impuls, verraten aber vielfach nicht, wie viele Photonen ihn ausgelöst haben. Die vollständige Form dieses Impulses enthält zusätzliche Hinweise. Supraleitende Nanodrähte sind dafür besonders geeignet, weil ein Lichtteilchen ihren elektrischen Zustand kurzzeitig verändert und dadurch ein messbares Signal entsteht.
Forscher der Leiden University um Dr. Michiel de Dood haben nun untersucht, wie sich aus solchen Signalen die Zahl der absorbierten Photonen ablesen lässt. Für ihre Versuche setzten sie einen kommerziellen Nanodrahtdetektor ein, den sie auf zwei Kelvin abkühlten, und zeichneten bei unterschiedlichen Lichtstärken insgesamt zwei Millionen Spannungskurven auf.
„Die Experimente mit Licht haben mir immer am meisten Spaß gemacht“, erklärt Erik Baalbergen von der Leiden University.
Dabei betrachtete das Team nicht nur die Höhe des Signals, sondern auch dessen zeitliche Veränderung. Je mehr Photonen der Nanodraht aufnimmt, desto anders verläuft insbesondere der steile Signalanstieg, der sich näherungsweise als kleine Zeitverschiebung beschreiben lässt.
„Wir haben eine Technik entwickelt, mit der sich ein, zwei und drei (oder mehr) Photonen (einzelne Lichtteilchen, Anm. d. Red.) unterscheiden lassen“, erklärt Erik Baalbergen.
Ausgangspunkt war eine sogenannte Hauptkomponentenanalyse, die umfangreiche Messdaten auf besonders aussagekräftige Muster reduziert. Entscheidend war, dass die wichtigste Information zur Photonenzahl bereits in der zeitlichen Ableitung einer gemittelten Signalkurve steckte. Anstelle der aufwendigen vollständigen Analyse genügte deshalb eine mathematische Projektion auf diese Kurve.
An den Messdaten ließen sich Ereignisse mit einem, zwei sowie drei oder mehr Photonen voneinander unterscheiden. Die einzelnen Messwertverteilungen überlappen allerdings, sodass die Methode die genaue Zahl nicht bei jedem Ereignis zweifelsfrei bestimmt. Für den Vergleich unterschiedlicher Detektoren entwickelten die Forscher deshalb auch eine Kennzahl zur Trennschärfe der jeweiligen Klassen.
Dieses Maß erreichte für die Unterscheidung von einem und zwei Photonen den Wert 0,81 und für zwei gegenüber mindestens drei Photonen den Wert 0,73. Dabei bedeutet eins eine vollständige Trennung, während null für eine komplette Überlappung steht. Die Werte sind keine Trefferquoten für das korrekte Zählen einzelner Photonen.