Avalancha de fotones: cómo atrapar lo invisible exprés
En la fotometría (medición de la luz) durante mucho tiempo no fue posible captar fotones individuales de microondas: su energía es comparable al temblor de los átomos por el calor. La solución llegó de los superconductores: un fotón provoca una avalancha; como una bola de nieve que rueda montaña abajo y se cubre de más nieve, así el cuanto de microondas genera decenas iguales. La señal amplificada se separa del fondo mediante el análisis de la entropía cuántica, una medida del caos: en la avalancha de fotones es diferente a la de las interferencias aleatorias. El detector se enfría casi hasta el cero absoluto para suprimir el ruido térmico. La eficiencia alcanza el 84,5 % con errores mínimos. Paradoja: para capturar partículas del pasado ardiente del Universo se necesita un frío extremo. Estos detectores conectarán computadoras cuánticas y, tal vez, permitan registrar los fotones del eco del Big Bang, verificando el modelo estándar de la física.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2510.08030
Single-photon detectors are an essential part of the toolbox of modern quantum optics for implementing quantum technologies and enabling tests of fundamental physics. The low energy of microwave photons, the natural signal path for superconducting quantum devices, makes their detection much harder than for visible light. Despite impressive progress in recent years and the proposal and realization of a number of different detector architectures, the reliable detection of a single itinerant microwave photon remains an open topic. Here, we investigate and simulate a detailed protocol for single-photon multiplication and subsequent amplification and detection. At its heart lies a Josephson-photonics device which uses inelastic Cooper-pair tunneling driven by a dc bias in combination with the energy of an incoming photon to create multiple photons, thus compensating for the low-energy problem. Our analysis provides clear design guidelines for utilizing such devices, which have previously been operated in an amplifier mode with a continuous wave input, for counting photons. Combining a formalism recently developed by M{\o}lmer to describe the full quantum state of in- and outgoing photon pulses with stochastic Schr\"odinger equations, we can describe the full multiplication and detection protocol and calculate performance parameters, such as detection probabilities and dark count rates. With optimized parameters, a high population of a single output mode can be achieved that can then be easily distinguished from vacuum noise in heterodyne measurements of quadratures with a conventional linear amplifier. Realistic devices with two multiplication stages with multiplication of $$16$$ reach for an impinging Gaussian pulse of length $$T$$ a detection probability of $$84.5\%$$ with a dark count rate of $$10^{-3}/T$$, and promise to outperform competing schemes.
La energía de un solo fotón de microondas es aproximadamente 100 000 veces menor que la de un fotón de luz visible, pero precisamente estas partículas transportan información sobre el Universo temprano.