Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren

Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren (SNSPDs) sind hochempfindliche Detektoren, die einzelne Photonen erkennen können. Sie spielen eine zentrale Rolle in Bereichen wie Quantenoptik, Quantenkommunikation, Astronomie und Quantensensorik. Ihre Funktionsweise beruht auf supraleitenden Materialien, die bei kryogenen Temperaturen betrieben werden, um eine extrem hohe Detektionseffizienz und niedrige Dunkelzählraten zu ermöglichen.

Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren basieren auf dem Prinzip der supraleitenden Detektion. Ein supraleitendes Material leitet elektrischen Strom ohne Widerstand, wenn es unter eine kritische Temperatur, die sogenannte Übergangstemperatur, abgekühlt wird.

Wenn ein Photon auf einen solchen Detektor trifft, wird es absorbiert, wodurch sich ein Elektronenpaar, ein sogenanntes Cooper-Paar, bildet. Die Bildung des Cooper-Paares führt zu einer Verringerung des elektrischen Widerstands des supraleitenden Materials, die als Signal registriert wird.

In einem SNSPD erzeugen Photonen einen Spannungsimpuls, wenn sie auf den Nanodraht treffen. Dabei handelt es sich um einen dünnen (≈ 5 nm) und schmalen (≈ 100 nm) supraleitenden Nanodraht, der typischerweise mehrere hundert Mikrometer lang ist. Der Nanodraht ist in einer kompakten Mäandergeometrie angeordnet, um ein quadratisches oder kreisförmiges Pixel mit hoher Detektionseffizienz zu erzeugen. Der Nanodraht wird mit einem Gleichstrom gespeist, der leicht unter seinem kritischen supraleitenden Strom liegt. Wenn ein Photon auf den Draht trifft, bricht es Cooper-Paare auf und reduziert so den lokalen kritischen Strom unter den Wert des Speisestroms. Dies führt zur Bildung eines Hotspots mit endlichem elektrischen Widerstand, der in der Regel größer ist als die Impedanz des Ausleseverstärkers und somit als Spannungsimpuls gemessen werden kann.

Dieser schwache Spannungsimpuls wird durch einen rauscharmen Verstärker verstärkt, um ihn für die weitere Verarbeitung nutzbar zu machen. Die Digitalisierung des verstärkten Impulses erfolgt in der Regel mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC), damit die Daten mit hoher Präzision analysiert werden können. Die digitalisierten Signale werden in Echtzeit verarbeitet, um die Ankunftszeit und andere Eigenschaften der Photonen zu extrahieren.

Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren bieten eine hohe Empfindlichkeit und zeitliche Auflösung bei sehr hohen Zählraten, sehr kurzen Totzeiten und sehr geringem zeitlichen Jitter im Vergleich zu anderen Einzelphotonen-Detektoren. Sie können einzelne Photonen bei sehr geringer Intensität detektieren und sind daher ideal für die Quantenkommunikation, Quantenkryptografie und Quantencomputing geeignet. Da sie auf supraleitender Technologie basieren, haben sie außerdem eine sehr niedrige Hintergrundrate, was bedeutet, dass sie sehr genau sind und keine Fehlalarme verursachen.

Die Verwendung von supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren hat jedoch auch Nachteile. Einer der größten Nachteile ist, dass sie in der Regel auf sehr niedrige Temperaturen, meist unter 4 Kelvin (-269 °C), gekühlt werden müssen. Dies erfordert spezielle Kühlgeräte, die teuer und unpraktisch sein können. Darüber hinaus haben sie einen begrenzten Erfassungsbereich und sind daher nicht für die Abdeckung großer Flächen geeignet.

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Anwendungen

• In der Quanten-Kommunikation ermöglichen SNSPDs die verlustfreie Detektion einzelner Photonen, die beispielsweise zur Übertragung von Quantenbits (Qubits) in Quantenkryptographiesystemen verwendet werden.
• In der Astronomie werden SNSPDs zur Detektion extrem schwacher Lichtsignale von weit entfernten Himmelsobjekten eingesetzt.
• In der Biophotonik werden SNSPDs eingesetzt, um Fluoreszenzsignale in biologischen Proben mit hoher zeitlicher Präzision zu messen.

Vorteile von SNSPDs:

• Hohe Effizienz: SNSPDs bieten Detektionseffizienzen von bis zu 98 %.
• Ihre Zeitauflösungen liegen im Bereich von wenigen Pikosekunden.
• Ihre geringe Dunkelzählrate reduziert die Wahrscheinlichkeit von Fehlmessungen.

Nachteile

• SNSPDs erfordern eine aufwendige Kryokühlung.
• Dies macht ihren Betrieb recht kostspielig.
• Da es schwierig ist, SNSPDs in großen Arrays anzuordnen, sind entsprechende Detektoren nur begrenzt skalierbar.

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