論文の概要: Amplification and Detection of Single Itinerant Microwave Photons
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.08030v1
- Date: Thu, 09 Oct 2025 10:07:38 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-10-10 17:54:15.002783
- Title: Amplification and Detection of Single Itinerant Microwave Photons
- Title（参考訳）: 単一イテナントマイクロ波光子の増幅と検出
- Authors: Lukas Danner, Max Hofheinz, Nicolas Bourlet, Ciprian Padurariu, Joachim Ankerhold, Björn Kubala,
- Abstract要約: マイクロ波光子の低エネルギーは、その検出を可視光よりもはるかに困難にする。
ジョセフソンフォトニクス装置は、入射光子のエネルギーとdcバイアスによって駆動される非弾性クーパーペアトンネルを用いる。
2つの乗算ステージを持つデバイスは、長さのガウスパルスに16ドルで乗算し、検出確率は84.5%で、暗カウントレートは10-3/T$である。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: 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.
- Abstract（参考訳）: 単一光子検出器は、量子技術の実装と基礎物理学のテストを可能にするため、現代の量子光学のツールボックスの重要な部分である。
超伝導量子デバイスのための自然信号経路であるマイクロ波光子の低エネルギーは、その検出を可視光よりもはるかに困難にする。
近年の顕著な進歩と多くの異なる検出器アーキテクチャの提案と実現にもかかわらず、単一イテナントマイクロ波光子の信頼性の高い検出は依然としてオープンな話題である。
本稿では,単一光子乗算とその後の増幅と検出のための詳細なプロトコルについて検討し,シミュレーションする。
心臓にはジョセフソン・フォトニクス装置があり、この装置はdcバイアスによって駆動される非弾性クーパー対トンネルと入射光子のエネルギーを組み合わせて複数の光子を生成し、低エネルギーの問題を補う。
本分析は,光子をカウントするために,従来連続波入力の増幅モードで動作していたデバイスを利用するための明確な設計ガイドラインを提供する。
M{\o}lmerによって最近開発されたフォーマリズムを用いて、入出力光子パルスの完全な量子状態と確率的Schr\\odinger方程式を組み合わせ、全乗算および検出プロトコルを記述し、検出確率や暗カウントレートなどの性能パラメータを計算できる。
最適化されたパラメータにより、従来の線形増幅器を用いた四角形のヘテロダイン測定において、真空ノイズと容易に区別できる単一出力モードの高い人口を達成することができる。
2つの乗算ステージと16$のリーチを持つ乗算デバイスは、長さのガウスパルスを妨害する$T$で、検出確率は84.5\%$で、暗カウントレートは10-3}/T$で、競合するスキームを上回ることを約束する。
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