มหาวิทยาลัย Paderborn พัฒนาระบบตรวจจับโฟตอนชนิดใหม่ สามารถนับโฟตอน 276 ตัวโดยมีความคลาดเคลื่อนต่ำกว่า 1 โฟตอน

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัย Paderborn ได้สร้างระบบตรวจจับโฟตอนที่สามารถนับพัลส์โฟตอนมากกว่า 9,000 ตัว และวัดพัลส์โฟตอนสูงสุดถึง 276 ตัวโดยมีความไม่แน่นอนต่ำกว่า 1 ตัว ตามข้อมูลจากข่าวประชาสัมพันธ์ของ《Optica》 เมื่อจำนวนโฟตอนเพิ่มขึ้น ความยากในการนับโฟตอนก็เพิ่มขึ้นด้วย ระบบตรวจจับโฟตอนหลายตัว รวมถึงเซมิคอนดักเตอร์แอวาแลนช์โฟโตไดโอด สามารถแสดงให้เห็นว่าแสงมาถึงหรือไม่ แต่ไม่สามารถบอกได้ว่ามีโฟตอนกี่ตัว ระบบที่ออกแบบมาเพื่อแสงที่สว่างกว่าจะเพิ่มเสียงรบกวนทางไฟฟ้า ทำให้การนับไม่ชัดเจน รายงานระบุ

ความก้าวหน้าทางเทคนิคของระบบตรวจจับชนิดใหม่

ทีมวิจัยได้รวมระบบตรวจจับโฟตอนแบบซูเปอร์คอนดักเตอร์นาโนไวร์ (SNSPDs) กับเทคนิคมัลติเพล็กซ์ ซึ่งสามารถแบ่งสัญญาณออกเป็นหลายช่องทาง ผลลัพธ์สุดท้ายคือ 1,024 บิ้นสำหรับการตรวจจับ

ทิมอน ชาเพลอร์ (Timon Schapeler) จากมหาวิทยาลัย Paderborn กล่าวว่า การสาธิตก่อนหน้านี้ไม่เคยใช้สองวิธีนี้พร้อมกันในระดับนี้ เขาอธิบายว่าความสำเร็จนี้มีขนาดใหญ่กว่าระบบนับโฟตอนมัลติเพล็กซ์ก่อนหน้านี้ถึงหนึ่งขนาด ระบบนี้จะแบ่งพัลส์เลเซอร์แต่ละพัลส์ออกเป็น 128 พัลส์ที่มีช่วงเวลาสั้นกว่า จากนั้นส่งไปยังตรวจจับ 8 ตัว ตามรายงาน ทำให้เกิดพัลส์โฟตอนที่แชร์กันได้ถึง 1,024 ตัว ทิม บาร์ตลีย์ (Tim Bartley) จากมหาวิทยาลัย Paderborn กล่าวว่า เทคโนโลยีออปติกที่มีการสูญเสียต่ำทำให้แสงกระจายอย่างสม่ำเสมอในแต่ละบิ้น

ทีมวิจัยได้ใช้โมเดลที่พัฒนาโดยมาเรีย ซิดอโรว่า (Mariia Sidorova) จากสถาบันมาตรฐานแห่งชาติของเยอรมนี ซึ่งอธิบายถึงส่วนประกอบของแต่ละตัวตรวจจับ

ผลการทดสอบและความท้าทายด้านความแม่นยำ

ตามเอกสารก่อนพิมพ์ของทีมวิจัย โฟตอนที่แยกได้โดย SNSPDs เพียงไม่กี่ตัว โดยทั่วไปสูงสุดไม่เกิน 5 ตัว นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยไลเดน (Leiden University) รายงานว่าได้พัฒนาระบบตรวจจับซูเปอร์คอนดักเตอร์ที่สามารถแยกโฟตอน 1, 2 และ 3 ตัวหรือมากกว่านั้น เพื่อทดสอบระบบ ทีมวิจัยได้ส่งพัลส์เลเซอร์ที่มีโฟตอนเฉลี่ยอยู่ระหว่าง 1 ถึง 15,000 ตัวเข้าไปในระบบ นักวิจัยระบุว่าระบบตรวจจับสามารถวัดพัลส์โฟตอนสูงสุดถึง 276 ตัว โดยมีความไม่แน่นอนต่ำกว่า 1 ตัว พวกเขาคำนวณว่าระบบมัลติเพล็กซ์แบบดั้งเดิมต้องการส่วนประกอบตรวจจับประมาณ 37,000 ตัวเพื่อให้ได้ความแม่นยำนี้

อย่างไรก็ตาม เมื่อมีโฟตอนเกิน 276 ตัว ความไม่แน่นอนจะเกิน 1 ตัว เอกสารก่อนพิมพ์ระบุว่า มันยังคงอยู่ภายใต้ขีดจำกัดเสียงรบกวนของปัวซองที่ 4.1 เดซิเบล ซึ่งเป็นเสียงรบกวนที่เกิดจากเลเซอร์ โดยที่ความไม่แน่นอนเท่ากับรากที่สองของจำนวนโฟตอน นี่หมายความว่า ตัวเลข 9,000 ที่อ้างถึงนั้นเกินขีดจำกัดนี้ ไม่ได้หมายถึงการนับที่แม่นยำถึง 1 ตัว ผู้เขียนยังระบุว่าความแม่นยำถูกจำกัดด้วยข้อบกพร่องของตัวตรวจจับ โดยเฉพาะปัญหาการมองไม่เห็นชั่วคราวในบางบิ้น ซึ่งทำให้พวกเขาต้องระบุความเบี่ยงเบนที่มากกว่า 1,000 ตัวว่าเกิดจากสาเหตุนี้

ความมีประสิทธิภาพแตกต่างกันอย่างมากตามความเข้มของแสง และการทดสอบนี้ใช้เฉพาะพัลส์เลเซอร์

ทีมวิจัยยังได้ใช้เทคนิคการสร้างภาพด้วยตัวตรวจจับควอนตัมเพื่อสร้างการตอบสนองของตัวตรวจจับทั้งหมด ซึ่งเป็นวิธีการปรับเทียบที่อิงจากการทำงานคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงในอดีต ทีมวิจัยอื่น ๆ ก็กำลังขยายระบบ SNSPD รวมถึงการสร้างตัวตรวจจับ 100 ช่องในเซี่ยงไฮ้ นักวิจัยวางแผนที่จะนำตัวตรวจจับเหล่านี้ไปใช้ในสถานะแสงควอนตัมที่สว่าง รายงานระบุว่านี่จะช่วยให้สามารถเปิดเผยผลกระทบควอนตัมในระดับใหญ่ได้ เอกสารวิจัยนี้เผยแพร่ในวารสาร《Optica》เล่มที่ 13

ศักยภาพการใช้งานของระบบตรวจจับโฟตอนชนิดใหม่

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของระบบตรวจจับโฟตอนที่มหาวิทยาลัย Paderborn แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการวัดที่แม่นยำในระดับการนับโฟตอนสูง ซึ่งมีความสำคัญต่อการสื่อสารควอนตัมและการคำนวณควอนตัม ระบบตรวจจับนี้สามารถทำการวัดโดยมีความไม่แน่นอนต่ำกว่า 1 ตัว แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการใช้งานในสถานะแสงควอนตัม แม้ว่าความแม่นยำจะได้รับผลกระทบเมื่อมีโฟตอนเกิน 276 ตัว แต่การพัฒนานี้ยังคงวางรากฐานสำหรับเทคโนโลยีควอนตัมในอนาคต และอาจส่งเสริมการศึกษาเกี่ยวกับผลกระทบควอนตัมในระดับที่ใหญ่ขึ้น