Скорость квантовой запутанности и доставки квантовых ключей зависит от многих факторов, одним из которых является скорость обнаружения фотона. Современные детекторы могут регистрировать до 800 миллионов фотонов в секунду, что хорошо, но недостаточно; специалисты Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) могут установить новый рекорд, разработав однофотонный детектор, способный регистрировать 1,5 миллиарда фотонов в секунду, но это не предел. Это не так.
Многие схемы квантовой связи полагаются на способность обнаруживать и обрабатывать оптические сигналы на уровне одного фотона. Процесс обнаружения регистрирует время прибытия каждого фотона (кванта электромагнитной энергии) с максимально возможной точностью. По мере увеличения скорости передачи квантовой информации детекторы должны улучшать свои характеристики без ущерба для эффективности и чувствительности.
Детекторы на основе сверхпроводящих нанопроволок считаются наиболее перспективной платформой для достижения сверхбыстрой скорости счета фотонов. Детектор охлаждается почти до абсолютного нуля. Нанопровода поглощают фотоны и нагреваются от количества поглощенной энергии. Это вызывает изменение электрического сопротивления нанопроволоки, что отражается на протекающем через нее токе. Время этого изменения позволяет точно определить время прихода фотона.
Эффективность обнаружения фотонов с помощью этого метода является самой высокой из всех известных методов и достигает 98%. Нанопровода также привлекательны тем, что они могут обнаруживать фотоны в диапазоне длин волн от среднего инфракрасного до ультрафиолетового. Однако это имеет свои недостатки, например, невозможность ускоренного подсчета более 800 миллионов фотонов в секунду. Этому препятствует процесс теплоотвода нанопроводов после поглощения фотонов - тривиально получить время, в течение которого детектор остается слепым.
Именно это ограничение и пытались преодолеть физики из JPL, когда предложили конструкцию детектора "павлиний хвост". Да, его название PEACOQ (Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta), и детектор PEACOQ может подсчитывать до 1,5 миллиардов фотонов в секунду, сохраняя при этом высокую эффективность и низкий уровень шума.
Секрет заключается в 32 прямых сверхпроводящих нанопроволоках, которые тянутся от центра детектора, как павлиний хвост. Каждая нанопроволока регистрирует фотоны параллельно (независимо) с временным разрешением менее 100 пс. Эксперименты с этим новым детектором позволяют регистрировать до 1,5 миллиардов фотонов в секунду, что почти в два раза превышает скорость современных счетчиков фотонов.
Эффективность обнаружения немного снизилась из-за сложности детектора, но никогда не опускалась ниже 78% в режиме максимальной нагрузки. Будущие исследования будут направлены на улучшение этого параметра. Однако если датчик PEACOQ попадет в руки разработчиков устройств квантовой связи, квантовая связь может быть облегчена даже таким образом.
