Детектор, разрешающий число фотонов, на основе сверхпроводящих полосок микронной ширины (этап 1)

В рамках проекта осуществляется разработка сверхпроводникового однофотонного детектора, разрешающего число фотонов (от англ. photon number resolving detector - PNRD) с эффективностью детектирования близкой к 100%. В качестве стартовой точки взята традиционная технология SSPD детекторов, для которой было показано, что при использовании правильно спроектированного полостного резонатора эффективность детектирования может быть выше 90%. К этой технологии авторами проекта добавляется обнаруженный эффект однофотонного детектирования в сверхпроводящих полосках микронной ширины. Объединение этих двух подходов позволит создать PNR-детектор большой площади и с высоким быстродействием. На данном этапе выполнения проекта было выполнено моделирование нескольких типов оптических резонаторов, которые должны обеспечить высокое поглощение в сверхпроводящей плёнке: от простейшего резонатора, состоящего из металлического зеркала и четвертьволнового слоя диэлектрика, до сложного резонатора на основе брэгговского зеркала. Определены оптимальные диэлектрики, пригодные для выращивания на них тонкой сверхпроводниковой плёнки NbN с высокой плотностью критического тока. Была разработана электротермическая модель детектора, позволяющая разрабатывать оптимальный дизайн детектора. Одновременно с этим начата разработка версии детектора, совместимого с технологией диэлектрических волноводов на чипе: выполнены расчёты конфигурации волноводов на чипе для реализации волноводной версии PNR-детектора. Также было продолжено исследование физики возникновения резистивного состояния в тонких плёнках при поглощении фотона: экспериментально исследована зависимость реализации «детерминистического» режима регистрации фотонов (т.е. не связанного с флуктуациями) от толщины пленки и ширины полоски детектора. Установлено, что при текущем режиме напыления пленок NbN детерминистический режим в полосках шириной 1 мкм на большинстве исследованных образцов реализуется только на длинах волн до 1 мкм. Для реализации детерминистического режима на длине волны 1550 нм ширину сверхпроводящей полоске нужно уменьшать до 300-500 нм. Данная разработка удовлетворит потребность современных практических применений квантовой оптики, таких как квантовая криптография и квантовые вычисления на фотонах, в высокоэффективных детекторах, различающих квантовые состояния с различным числом фотонов.