[論文レビュー] Single Photon Detection Using Optical Heterodyne Interferometry

Zachary Bush, Simon Barke+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Optical Polarization and Ellipsometry被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、非常に弱い光信号を検出するために、光的混合干渉計を用いた一貫性のある検出方式を示している。1光子/秒の感度に達し、1時間に1光子の信号でさえ検出可能であり、ダークマター検出に応用可能である。

ABSTRACT

We detail and explore the application of heterodyne interferometry for a weak field coherent detection scheme. Planned use in a current dark matter search experiment sets specification goals to accurately measure fields on the order of 1 photon per week. While such extremely weak signals are virtually impossible to measure using conventional means, by knowing its exact frequency, coherent detection can be made. Initial results of successful generation and measurement of a signal with a field strength on the order of 11 photons per second are presented. Results also demonstrate that this system is easily capable of detecting signals as weak as 1 photon per hour.

研究の動機と目的

• 1週間に1光子の光場を測定可能な一貫性のある検出手法の開発を目的とする。
• 従来の技術では測定できない超微弱光パワー信号を検出する課題に対処することを目的とする。
• ダークマター探索実験の文脈において、混合干渉計による微弱場検出の実現可能性を検証することを目的とする。
• 高い周波数精度を備えた単一光子レベルの信号検出の実験的能力を示すこと。

提案手法

• システムは、既知で正確な周波数を持つ強い局所発振器と弱い信号場を混合する光的混合干渉計を用いる。
• 局所発振器周波数を信号周波数にロックすることで、位相に依存する増幅を介し、一貫性検出を実現する。
• 信号と局所発振器の混相信号を、高帯域幅の光検出器および電子処理を用いて周波数変換して測定する。
• 信号強度は、ビート信号のパワーを時間積分することで平均光子フラックスを特定することによって定量化される。
• システムは11光子/秒の光場を測定可能にキャリブレーションされており、理論的には1時間に1光子まで測定可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光的混合干渉計は、ダークマター実験に十分な精度で単一光子レベルの光場を検出可能か？
• RQ2 周波数が既知の状態で一貫性検出を用いる場合、最小でどの程度の信号パワーが検出可能か？
• RQ3 特に1秒あたり1光子未塔のレートにおいて、実際の微弱場検出条件下でシステムはどのように動作するか？
• RQ4 システムはどの程度、1時間に1光子の信号を解像可能か？

主な発見

• システムは11光子/秒の光場を生成・測定し、概念の妥当性を示した。
• 1時間に1光子の検出感度に到達し、超微弱信号検出の実現可能性を確認した。
• 混合干渉計による一貫性検出により、従来の検出法の閾値をはるかに下回る信号を測定可能となった。
• システムの性能は感度ではなく、積分時間とSNRの考慮事項によって制限されており、根本的な量子制限ではない。