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《美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员发现用于量子辐射测量的可分散单光子源》

  • 来源专题：计量基标准与精密测量
  • 编译者： 张宇
  • 发布时间：2025-01-02

  • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员发现了一种基于微米凸起中的InGaAs量子点的可散发单光子源。该光源在929.7纳米的波长下实现了 280 万光子/秒的最大光子通量，多光子抑制比为g(2)(0) = 0.22。半导体芯片可以安装在任何低温系统中，所有光学元件的紧凑尺寸有助于轻松传播以进行实验室间比较。在两种不同的实验室环境中，光子通量和多光子抑制结果的一致性强调了这种单光子源的稳定性和多功能性。

    如需进一步了解这项研究的详细信息请访问：https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=957995

  • 原文来源：https://www.nist.gov/publications/disseminable-single-photon-source-quantum-radiometry
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）为单光子探测器构建出基于超导的KICS系统用于捕捉TES信号》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2024-12-09
    • 能够检测可见光中单个光子的传感器对于从暗淡的遥远星系成像到量子计算和DNA测序等应用都变得至关重要。近日，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）的研究人员现在已经设计出一种更简单且可能更精确的系统，用于读取大量最灵敏的单光子探测器的测量结果。 这些被称为过渡边缘传感器（Transition Edge Sensors, TES）的高灵敏度探测器由NIST开发和完善，它们由一层超薄的金属膜组成，其温度保持在超导（零电阻状态）和正常电阻之间的临界状态下。当辐射击中单个TES探测器时，它会使其提高温度并增加TES的电阻，这表现为电流的变化。单个光子携带的能量越多，产生的信号就越大。 感应电流的变化其实非常小，必须通过特殊的识别系统进行放大。通常，研究人员使用超导量子干涉装置（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID），它将TES中的微小电流变化转换为被放大的磁信号。 尽管大量SQUIDs已被用于识别无线电波和X射线波长产生的数百到数千个像素的光子在TES中所产生的感应电流，但它们的运行速度太慢，无法从多个检测可见光光子的TES设备中收集数据。此外，SQUIDs相对笨重，很难部署在需要数千个紧密排列的TES设备的新应用系统中使用。 为了克服这些缺点，NIST和科罗拉多大学博尔德分校的Paul Szypryt和他的同事用另一种称为动态感应电流传感器（Kinetic Inductance Current Sensor, KICS）的识别系统取代了SQUIDs。每个KICS都由一个超导体构成，该超导体在特定频率下自然共振。当来自TES的电流脉冲通过电路时，KICS会改变其共振频率。重要的是，这些频率变化足够快，以至于每个KICS阵列都可以同时读取来自数千个可见光TES传感器的信号。 KICS的另一个优势是：它大大减少了电子噪声的一个主要来源。为了最大限度地提高KICS电路的灵敏度，必须向该设备施加直流电，或称为偏置电流。但如果持续提供该电流，它可能会产生一个虚假的电子信号。而KICS是超导体构成的，它可以在这种无电阻电路中捕获并永久保留偏置电流。因此，信号捕获的过程中只需对KICS施加一次直流电，从而有效减少了虚假信号，使KICS系统能够非常准确地读取TES电流。 Paul Szypryt和他的同事，以及来自意大利米兰比可卡大学的科学家们，于11月6日在《Communications Engineering》期刊上发布了他们的研究成果。（DOI:10.1038/s44172-024-00308-y）
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员对量子电路基板中的自然电离辐射能量沉积进行光谱测量和模型研究》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2024-11-26
    • 自然发生的背景辐射是超导量子比特中相关退相干事件的潜在来源，这将对纠错方案提出挑战。近日，为了描述一个代表了超导量子比特状态的非屏蔽实验室中的辐射环境，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员对毫开尔文冰箱的内部进行了背景辐射事件的宽带光谱测量。该光谱仪旨在模拟量子电路的大小和组成。具体来说，NIST研究人员测量出在一块面积为25平方毫米的硅基底上，500微米和1500微米2种不同厚度的材料分别产生的背景辐射光谱。观察到的光谱能量范围从几千电子伏到近10兆电子伏不等，几乎没有识别出任何特征，对于厚度为500微米的硅基底，在100千电子伏和3兆电子伏之间，强度降低了40000倍。研究人员整合光谱以获得平均事件速率和沉积功率水平。当对500μm厚的硅基底沉积进行至少40千电子伏的事件进行计数时，这些量对应于每秒0.023个事件和4.9千电子伏秒^-1的功率。研究人员发现，低温测量与基于冰箱外部地球伽马射线通量、宇宙射线通量发布的模型、低温恒温器的粗略模型和辐射传输模拟的简单测量的预测非常吻合。该模型不需要任何自由参数来预测硅基底中的背景辐射光谱。测量和预测之间的一致性表明，研究人员提出的模型可用于评估地面和宇宙射线源对不同厚度的硅基底中背景辐射相互作用的相对贡献。这些光谱的测量是通过位于微加工硅岛上的新型超导微共振器的新组合实现的，这些共振器定义了与背景辐射的相互作用体积。共振器将沉积的能量转换为容易检测的电信号。微共振器的读数与色散超导量子比特的读数非常相似，因此类似的设备（带或不带微加工硅岛）均适合与超导量子电路集成，作为背景辐射事件的探测器。对于研究人员特定的实验室条件，研究人员发现放射性同位素的伽马射线发射事件是导E<1兆电子伏能量沉积的主要原因。研究结果表明，背景辐射光谱包含除μ子以外的宇宙射线粒子的相关贡献，特别是由质子和中子引起的数兆级电子伏特事件的最后阶段。这些观察结果揭示了几种减少背景辐射对量子电路影响的途径，并得到了一个经过实践验证的成熟模型的支持，该模型可以生成辐射与硅基底相互作用的可靠预测。 该项目的研究成果已由美国物理学会发表在《PRX Quantum》期刊中。（DOI：10.1103/prxquantum.5.040323）
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