Research press release


Nature Photonics

Resolving photon numbers

量子光学や量子計算の分野では、信頼性の高い実験を行うために、非常に弱い光パルス中の光子数を正確に測定することが重要である。Nature Photonics(電子版)に発表される論文は、単純かつ効率がよく、高コスト効率大量生産も可能な「光子数識別器」の設計について明らかにしている。

これまで、光子数識別器は複雑であり、効率が悪い、極低温まで冷却が必要、応答時間が遅いなどの問題を抱えていた。A Shieldsらは、特別に改良したアバランシェ・フォトダイオード検出器について報告し、異なる数の光子(例えば0個、1個、2個または3個およびこの範囲の平均)を含む弱いレーザパルスを区別することが可能であることを示している。


Determining the exact number of photons in a very weak light pulse is important for performing reliable experiments in quantum optics and computing. A paper published online this week in Nature Photonics reveals a design for ‘photon-number-resolving detectors’ that is simple, efficient and compatible with cost-effective mass production.

So far, photon-number-resolving detectors have been complex and suffered from issues such as a poor efficiency, the need for cooling to cryogenic temperatures, or a slow response time. Andrew Shields and co-workers report a specially adapted avalanche-photodiode detector, showing that it is able to discriminate between weak laser pulses containing different numbers of photons, such as 0, 1, 2 or 3, and fractional averages within this range.

Avalanche photodiodes are routinely used to detect weak light signals. They rely on an avalanche multiplication effect in which a single photon generates a large number of electrons, and therefore an electrical current that is easy to detect. Usually this avalanche effect masks the actual number of photons received and makes determining the exact number received impossible. The researchers solved this problem by implementing an electronic circuit that measures the avalanche currents at a much earlier stage in their development, allowing the number of photons striking the detector to be determined.

doi: 10.1038/nphoton.2008.101

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