Сотрудники Института физики микроструктур РАН (ИПМ РАН) разработали детектор одиночных микроволновых фотонов и провели серию измерений в лаборатории «Сверхпроводниковая наноэлектроника» НГТУ. Им удалось зафиксировать одиночные фотоны с тепловой природой в диапазоне 14 ГГц.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Работа выполнена в рамках проекта НГТУ при поддержке РНФ.
Детектирование одиночных фотонов в гигагерцовом диапазоне – сложная задача. Именно в этом диапазоне учёные надеются обнаружить аксионы – частицы тёмной материи. В сильных магнитных полях аксионы должны конвертироваться в фотоны.
Микроволновой диапазон перспективен для создания фотонных квантовых компьютеров. В отличие от оптического, где сложно запутать фотоны из-за малых длин волн, в микроволновом диапазоне это сделать проще. Это позволяет реализовать многокубитные операции и создать универсальный фотонный квантовый компьютер.
Для эксперимента объединились учёные разных стран. Образцы детектора создали под руководством профессора Леонида Кузьмина в Технологическом университете Чалмерса (Швеция). Соавтором и технологом стала Анна Гордеева из НГТУ. Медный резонатор изготовил Николо Крещини из Национального института ядерной физики (Падуя, Италия). Нижегородские учёные доработали и настроили антенну резонатора.
Сборку системы «источник фотонов – детектор» провели в лаборатории НГТУ под руководством Андрея Панкратова. Сотрудники института настроили измерительный стенд, создали программное обеспечение, провели эксперименты и обработали данные.
Для детекторов специалисты НГТУ использовали джозефсоновский переход на основе алюминиевых наноструктур. Это позволило достичь времени между ложными срабатываниями в 10 секунд – мирового рекорда.
«Наш детектор имеет время ложного срабатывания 10 секунд и эффективность 45%. Мы понимаем, как увеличить время между срабатываниями до 1000 секунд без снижения эффективности», – говорит Панкратов.
Исследования проводились в криостате при температурах 20–80 мК. В этом диапазоне можно менять поток фотонов от 1 фотона в 1000 секунд до нескольких тысяч в секунду. Одним из важных результатов стало подтверждение тепловой природы фотонов.
«Наш детектор работает в диапазоне 14 ГГц, благоприятном для поиска аксионов», – поясняет Панкратов. Аксионы – кандидаты на роль частиц тёмной материи. Они не взаимодействуют с электромагнитным излучением, но в сильном магнитном поле могут конвертироваться в фотоны.
Для дальнейшего развития проекта потребуется разработка нового оборудования: больших резонаторов, эффективных детекторов и антенн. Это поможет продвинуться в поисках тёмной материи.