Avalancha de fotones: cómo atrapar lo invisible exprés
Detección de fotones de microondas individuales en vuelo: un problema abierto debido a su energía extremadamente baja. Método: se propone y se investiga numéricamente un protocolo de multiplicación de fotones seguido de amplificación y detección. El elemento clave es un multiplicador fotónico Josephson que utiliza la tunelización inelástica de pares de Cooper bajo una polarización constante y la energía del fotón entrante para generar múltiples fotones secundarios. Para modelar el protocolo completo se emplea el formalismo de Mølmer para el estado cuántico de pulsos y las ecuaciones estocásticas de Schrödinger. Se calculan la probabilidad de detección y la tasa de conteos oscuros. Mediante optimización se logra una alta población en un único modo de salida, lo que permite separar de manera fiable la señal del ruido de vacío mediante medición heterodina de cuadraturas con un amplificador lineal común. Para un esquema realista de dos etapas con multiplicación ×16, un pulso gaussiano entrante de duración T se detecta con una probabilidad del 84.5% y una tasa de falsas alarmas de 10^(-3)/T, lo que supera los enfoques alternativos.
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.
🎯 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.