В фотометрии (измерении света) долго не удавалось уловить одиночные микроволновые фотоны — их энергия сопоставима с дрожанием атомов от тепла. Решение пришло из сверхпроводников: один фотон вызывает лавину — как снежный ком, катящийся с горы, обрастает снегом, так и квант микроволн рождает десятки таких же. Усиленный сигнал отделяют от фона с помощью анализа квантовой энтропии — меры хаоса: у лавины фотонов она иная, чем у случайных помех. Детектор охлаждают почти до абсолютного нуля, чтобы подавить тепловые помехи. Эффективность достигает 84,5% при минимальных ошибках. Парадокс: для поимки частиц из огненного прошлого Вселенной требуется экстремальный холод. Такие детекторы соединят квантовые компьютеры и, возможно, позволят зарегистрировать фотоны эха Большого взрыва, проверяя стандартную модель физики.
как её написали авторы, на английском 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.
Энергия одиночного микроволнового фотона примерно в 100 000 раз меньше, чем у фотона видимого света, но именно такие частицы несут информацию о ранней Вселенной.