[논문 리뷰] Superconducting detector for visible and near-infrared quantum emitters

Vadim Vorobyov, A. Yu. Kazakov외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 17.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 가시광선 및 가까운 적외선 파장(500–1100 nm)을 위한 최적화된 초도체 나노와이어 단일광자 탐지기(SNSPD)를 제시하며, 최대 35000만 개의 카운트/초에 이르는 기록적인 동적 범위, 최소 0.1 Hz의 다크 카운트율, 62 ps의 타이밍 제트를 달성하였다. 이 장치는 양자 발광체와 온칩 통합이 가능하며, 초구형 미세구조를 갖춘 나노다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심에서의 실험으로 검증되었다.

ABSTRACT

Further development of quantum emitter based communication and sensing applications intrinsically depends on the availability of robust single-photon detectors. Here, we demonstrate a new generation of superconducting single-photon detectors specifically optimized for the 500-1100 nm wavelength range, which overlaps with the emission spectrum of many interesting solid-state atom-like systems, such as nitrogen-vacancy and silicon-vacancy centers in diamond. The fabricated detectors have a wide dynamic range (up to 350 million counts per second), low dark count rate (down to 0.1 counts per second), excellent jitter (62 ps), and the possibility of on-chip integration with a quantum emitter. In addition to performance characterization, we tested the detectors in real experimental conditions involving nanodiamond nitrogen-vacancy emitters enhanced by a hyperbolic metamaterial.

연구 동기 및 목표

• 가시광선 및 가까운 적외선 양자 발광체에 특화된 고성능 단일광자 탐지기를 개발하기 위해.
• 양자 통신 및 센서 응용 분야에서 필수적인 내구성 있고 낮은 노이즈, 고속 탐지기가 필요한 문제를 해결하기 위해.
• 다이아몬드 내 질소빈자리 중심과 같은 고체 상태 양자 발광체와의 온칩 통합을 가능하게 하기 위해.
• 향상된 나노다이아몬드 발광체를 포함한 실제 응용 실험에서 탐지기 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 장치는 초저온에서 작동하는 실리콘 질화막 위에 제작된 초도체 나노와이어 기반이다.
• 정밀 캘리브레이션된 빛원천과 시간상관 단일광자 카운팅을 사용하여 양자 효율성과 타이밍 제트를 특성화하였다.
• 디지털 옛스코프와 고유의 파이썬 기반 펄스 분석을 사용하여 연속광 조사 조건에서 동적 범위를 측정하였다.
• 전류 감쇠 함수 I(t) = Iw(1 − exp(−t/τ))와 펄스 발화 확률 밀도 함수를 사용하여 탐지기 응답을 모델링하였다.
• 초구형 미세구조를 갖춘 탐지기와 결합된 나노다이아몬드 내 질소빈자리 중심을 사용하여 시스템을 시험하였다.
• 제트(Gaussian 분포)와 다크 카운트를 포함한 확률적 모델을 사용하여 신호 대 노이즈 비율 및 g(2)(0) 상관 함수를 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초도체 나노와이어 단일광자 탐지기(SNSPD)는 500–1100 nm 범위에서 높은 탐지 효율성과 낮은 다크 카운트율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 연속광 조사 조건에서 SNSPD가 달성할 수 있는 최대 동적 범위는 얼마인가?
• RQ3 탐지기 제트와 다크 카운트율이 양자 발광체의 광자 통계(g(2)(0)) 측정에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 SNSPD는 실용적인 양자 응용을 위해 양자 발광체와 온칩 통합에 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ5 향상된 나노다이아몬드 내 NV 중심과 함께 사용할 경우 탐지기 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 장치는 최대 35000만 개의 카운트/초에 이르는 동적 범위를 달성하여, 가시광선 및 가까운 적외선 범위에서 이전의 SNSPD를 초월하였다.
• 다크 카운트율은 매우 낮은 0.1 개/초로 측정되어 높은 신호 대 노이즈 성능을 보였다.
• 타이밍 제트는 62 ps로 측정되어 고정밀 시간 해상도의 광자 탐지가 가능했다.
• 낮은 신호 대 노이즈 비율에서도 나노다이아몬드 내 질소빈자리 중심의 g(2)(0) 측정에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 이론적 모델링을 통해 탐지기의 제트와 다크 카운트율이 g(2)(0) 측정에 측정 가능한 영향을 미치지만, 관리 가능한 수준임을 확인하였다.
• 양자 발광체와의 온칩 통합이 성공적으로 구현되어 확장 가능한 양자 광학 시스템을 위한 기반을 마련하였다.