Avalanche de photons : comment attraper l'invisible express
En photométrie (la mesure de la lumière), il a longtemps été impossible de capter des photons micro-ondes individuels — leur énergie est comparable à l'agitation des atomes due à la chaleur. La solution est venue des supraconducteurs : un photon déclenche une avalanche — comme une boule de neige qui dévale une pente en grossissant, le quantum micro-onde engendre des dizaines de photons identiques. Le signal amplifié est séparé du bruit de fond grâce à l'analyse de l'entropie quantique — une mesure du désordre : celle de l'avalanche de photons diffère de celle des perturbations aléatoires. Le détecteur est refroidi presque au zéro absolu pour supprimer les interférences thermiques. L'efficacité atteint 84,5 % avec un minimum d'erreurs. Paradoxe : pour capturer des particules issues du passé brûlant de l'Univers, il faut un froid extrême. De tels détecteurs pourraient connecter les ordinateurs quantiques et peut-être enregistrer les photons de l'écho du Big Bang, mettant ainsi à l'épreuve le modèle standard de la physique.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais 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.
L'énergie d'un photon micro-onde est environ 100 000 fois plus faible que celle d'un photon de lumière visible, mais ce sont précisément ces particules qui portent l'information sur l'Univers primordial.