論文の概要: Near-single-photon atto-watt detection at mid-infrared wavelengths by a room-temperature balanced heterodyne set-up

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.09462v1
• Date: Thu, 12 Dec 2024 17:12:57 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-13 13:31:54.977775
• Title: Near-single-photon atto-watt detection at mid-infrared wavelengths by a room-temperature balanced heterodyne set-up
• Title（参考訳）: 室温平衡ヘテロダインセットアップによる中赤外波長近傍光子検出
• Authors: Daniele Palaferri, Lorenzo Mancini, Chiara Vecchi, Leonardo Daga, Pierfrancesco Ulpiani, Massimiliano Proietti, Carlo Liorni, Massimiliano Dispenza, Francesco Cappelli, Paolo De Natale, Simone Borri,
• Abstract要約: 単一光子検出は、量子通信および量子センシングアプリケーションのための基盤技術である。 ここでは,波長4.6$mu$mの室温検出システムについて述べる。 この結果は、2つのバランスの取れたヘテロダイン検出装置内で、市販の2つの光検出器を利用して得られた。
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• Abstract: Single photon detection is the underpinning technology for quantum communication and quantum sensing applications. At visible and near-infrared wavelengths, single-photon-detectors (SPDs) underwent a significant development in the past two decades, with the commercialization of SPADs and superconducting detectors. At longer wavelengths, in the mid-infrared range (4-11$\mu$um), given the reduced scattering and favourable transparent atmospheric windows, there is an interest in developing quantum earth-satellites-links and quantum imaging for noisy environments or large-distance telescopes. Still, SPD-level mid-infrared devices have been rarely reported in the state-of-the-art (superconductors, single-electron-transistors or avalanche-photodiodes) and, crucially, all operating at cryogenic temperatures. Here, we demonstrate a room-temperature detection system operating at 4.6$\mu$m-wavelength with a sensitivity-level of atto-watt optical power, corresponding to few tens of mid-infrared photons. This result was obtained by exploiting a pair of commercially available photodetectors within two balanced-heterodyne-detection setups: one involving a quantum-cascade-laser (QCL) and an acousto-optic-modulator (AOM) and the other one including two QCLs with mutual coherence ensured by a phase-lock-loop (PLL). Our work not only validates a viable method to detect ultra-low-intensity signals, but is also potentially scalable to the entire wavelength range already accessible by mature QCL technology, unfolding - for the first time - quantum applications at mid- and long-wave-infrared-radiation.
• Abstract（参考訳）: 単一光子検出は、量子通信および量子センシングアプリケーションのための基盤技術である。 可視波長と近赤外波長では、SPADと超伝導検出器の商業化により、過去20年間に1光子検出器(SPD)が重要な発展を遂げた。 長波長では、散乱が減少し、透明な大気窓が好まれる中赤外域(4-11$\mu$um)において、ノイズの多い環境や大きな距離望遠鏡のための量子地球衛星リンクと量子イメージングを開発することに関心がある。 それでも、SPDレベルの中赤外線デバイスは、最先端(超伝導体、単一電子トランジスタ、またはアバランシェフォトダイオード)ではほとんど報告されていない。 そこで本研究では, 波長4.6$\mu$mの室温検出システムにおいて, 数十個の中赤外光子に対応して, 感度レベルのアトワット光電力を動作させる実験を行った。 この結果は、量子カスケードレーザー(QCL)と音響光学変調器(AOM)を含む2つのバランスの取れたヘテロダイン検出装置と、位相ロックループ(PLL)によって保証された相互整合性を持つ2つのQCLを含む2つの市販の光検出器を用いて得られた。 我々の研究は、超低強度信号を検出するための実行可能な方法を検証するだけでなく、成熟QCL技術によって既にアクセス可能な全波長範囲に拡張性を持つ可能性がある。

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