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Multiplexiertes Detektorsystem zählt mehr als 9.000 Photonen aus Lichtpulsen
Lichtteilchen einzeln zu erfassen, wird bei intensiveren Lichtpulsen zunehmend schwierig. Ein neuer Aufbau mit acht supraleitenden Sensoren kann nun mehr als 9.000 Photonen pro Puls zählen, obwohl er das Licht nur auf 1.024 Messkanäle verteilt. Eine Messunsicherheit von weniger als einem Photon erreicht das Verfahren allerdings nur bis zu 276 Photonen.
Paderborn (Deutschland). Für photonische Quantencomputer und empfindliche optische Kameras ist nicht nur wichtig, ob Licht eintrifft, sondern häufig auch die Zahl der einzelnen Lichtteilchen. Diese Messung wird vor allem bei größeren Lichtmengen schwierig, weil viele verbreitete Einzelphotonendetektoren auf einen Lichttreffer lediglich mit einem Ja-oder-Nein-Signal reagieren.
Optische Leistungsmessgeräte können zwar stärkere Lichtsignale erfassen, unterscheiden wegen ihres elektrischen Rauschens aber meist keine einzelnen Photonen. Eine mögliche Lösung besteht darin, die einfallenden Lichtpulse auf viele Messkanäle aufzuteilen und die Signale dort gemeinsam auszuwerten.
Forscher der Universität Paderborn (UPB) um Dr. Timon Schapeler haben nun ein Detektorsystem erprobt, das zwei Ansätze miteinander verbindet. Es nutzt acht supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs), die aus der Ankunftszeit ihrer elektrischen Signale auf unterschiedliche Photonenzahlen schließen lassen.
Ein eintreffender Puls wird zunächst in 128 zeitversetzte Teilpulse zerlegt und anschließend auf acht Detektoren verteilt. So entstehen 1.024 Detektionskanäle, obwohl der Aufbau nur acht physische Nanodrahtsensoren besitzt.
„Wir wollten herausfinden, wie weit sich die Zahl der mit SNSPDs zählbaren Photonen steigern lässt“, erklärt Dr. Timon Schapeler.
Ein zuvor entwickeltes Modell ordnet deshalb jedem gemessenen Ankunftszeitpunkt eine Verteilung möglicher Photonenzahlen zu. Die Wahrscheinlichkeitsverteilungen aller Kanäle werden anschließend zusammengeführt, sodass aus den vielen Teilmessungen eine Photonenzahl für den ursprünglichen Lichtpuls abgeleitet werden kann.
„Das ermöglicht präzise Messungen, während das Multiplexing den Bereich der Photonenzahlen erweitert, die das System messen kann“, erklärt Prof. Dr. Tim Bartley von der Universität Paderborn.
Getestet wurde das System mit Laserpulsen, deren mittlere einfallende Photonenzahl von etwa einem bis auf rund 15.000 anstieg. Aus den registrierten Signalen konnte das Team Zählergebnisse bis zu mehr als 9.000 Photonen rekonstruieren, allerdings nicht mit durchgehend gleicher Genauigkeit.
Die typische statistische Messunsicherheit blieb bis zu einer ermittelten Zahl von 276 Photonen unter einem Photon. Bei höheren Photonenzahlen stieg sie an, blieb im untersuchten Messbereich aber unter einem Referenzwert, der auf der Poisson-Statistik von Laserlicht beruht.