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  • 如何才能知道一束光中,有多少个光子?

    自从美国国家标准与技术研究所(NIST)在20世纪90年代,建造了第一个用于计算光子的超导装置以来,这些曾经罕见的探测器,如今已经成为世界各地流行的研究工具。现在,国家标准与技术研究所已经朝着实现这些设备的通用标准迈出了一步,这些设备在科学和工业中变得越来越重要,单光子探测器(SPD)现在是研究领域的关键,从光通信和天体物理到基于量子物理的尖端信息技术,如量子密码学和量子隐形传态。

    如何才能知道一束光中,有多少个光子?

    为了确保其准确性和可靠性,需要对单光子探测器进行评估,并将其与一些基准进行比较,最好是正式的标准。国家标准与技术研究所的研究人员正在开发这样的方法,并已经开始为少数几家制造单光子探测器的公司进行定制校准。国家标准与技术研究所团队现在发布了测量五个单光子探测器效率的方法,其中一个是。国家标准与技术研究所制造的,作为提供官方校准服务的前奏。

    如何才能知道一束光中,有多少个光子?

    国家标准与技术研究所物理学家Thomas Gerrits说:这是实现量子标准的第一步,研究生产了一个工具来验证未来的单光子探测标准。目前还没有标准,但包括国家标准与技术研究所在内的许多国家计量机构都在致力于此。以前已经有过关于这个主题的期刊论文,但我们做了深入的不确定性分析,并非常详细地描述了是如何进行测试的。目的是为计划中的校正服务提供参考。

    如何才能知道一束光中,有多少个光子?

    国家标准与技术研究所是唯一有资格开发这些评估方法的机构,因为该研究所制作了世界上最高效的单光子探测器,并不断改进其性能。国家标准与技术研究所专门从事两种超导设计,一种是基于纳米线或纳米带的,在新的研究中进行了评估,另一种是过渡边缘传感器,将在不久的将来进行研究。未来研究可能还会解决探测器的标准,这些探测器可以测量非常弱的光级,但不能计算光子的数量。

    如何才能知道一束光中,有多少个光子?

    在被称为SI的现代公制系统中,与光子探测关系最密切的基本测量单位是烛光,它与人眼探测到的光有关。未来的SI重新定义可能包括光子计数标准。这可能会提供一种更精确以坎德拉为单位测量光线的方法,单光子光级不到当前标准的十亿分之一。新研究论文详细介绍了国家标准与技术研究所使用传统技术测量单光子探测器探测效率的细节,单光子探测器探测效率的定义是探测到光子击中探测器并产生可测量结果的概率。

    如何才能知道一束光中,有多少个光子?

    在确保测量结果可追溯到光功率计的主要标准(NIST的激光优化低温辐射计)。当测量缩小到弱光级别时,这些仪表保持精度,总体测量不确定度主要是由于功率表校准造成的。研究测量了五种探测器的效率,包括三个硅光子计数光电二极管和纳米线探测器。在一些测量中,光子是通过光纤发送的,在其他情况下,光子是通过空气发送的。对光纤和通信中常用的两种不同波长光进行了测量。

    如何才能知道一束光中,有多少个光子?

    博科园|研究/来自:美国国家标准与技术研究所

    参考期刊《Metrologia》

    DOI: 10.1088/1681-7575/ab4533

    博科园|科学、科技、科研、科普

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