論文の概要: Detection of photon-level signals embedded in sunlight with an atomic photodetector

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.02521v1
• Date: Tue, 02 Dec 2025 08:29:07 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-03 21:04:45.785672
• Title: Detection of photon-level signals embedded in sunlight with an atomic photodetector
• Title（参考訳）: 原子間光検出器による光子レベルの光検出
• Authors: Laura Zarraoa, Romain Veyron, Tomas Lamich, Sondos Elsehimy, Morgan W. Mitchell,
• Abstract要約: 最近の研究は、閉じ込められた単一原子が低暗数狭帯域光検出器として機能することを示した。 我々は、この量子ジャンプ光検出器(QJPD)アプローチが、強い日光に埋め込まれた光子レベル信号を検出することも示している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: The detection of few-photon signals in a broadband background is an extreme challenge for photon counting, requiring filtering that accepts a narrow range of optical frequencies while strongly rejecting all others. Recent work [Zarraoa et. al, Phys. Rev. Res. 6, 033338 (2024)] demonstrated that trapped single atoms can act as low dark-count narrow-band photodetectors. Here we show that this ``quantum jump photodetector'' (QJPD) approach can also detect photon-level signals embedded in strong sunlight. Using a single rubidium atom as a QJPD, we count arrivals of individual narrow-band laser photons embedded in sunlight powers of order $10^{10}$ photons/s. We derive a rate-equation model for the atom's internal-state dynamics in sunlight, and find quantitative agreement with experiment. Using this model, we calculate the channel capacity over a noisy communication channel when sending weak coherent states and detecting them in the presence of sunlight, achieving a representative rate of 0.5 bits per symbol when sending 150 probe photons per 10 ms time-bin, embedded in 1 nW of sunlight (of order $10^{10}$ photons/s in the visible and near-infrared bands). The demonstration may benefit background-limited applications such as daytime light detection and ranging (LIDAR), remote magnetometry, and free-space classical and quantum optical communications.
• Abstract（参考訳）: ブロードバンド背景における数光子信号の検出は、光子計数において極端に難しい課題であり、光周波数を狭く受け入れ、他の全てを強く拒否するフィルタリングを必要とする。 最近の研究(Zarraoa et. al, Phys. Rev. 6, 033338 (2024))は、閉じ込められた単一原子が低暗数狭帯域光検出器として機能することを示した。 ここでは,この<quantum jump photodetector'' (QJPD) アプローチにより,強い日光に埋め込まれた光子レベル信号も検出可能であることを示す。 1つのルビジウム原子をQJPDとして使用し、それぞれの狭帯域レーザー光子の入射を10–10}$光子/sの日光パワーで数える。 我々は、日光中の原子の内部状態ダイナミクスの速度方程式モデルを導出し、実験との定量的な一致を見出す。 このモデルを用いて、弱いコヒーレントな状態を送り、日光の存在下で検出する際のノイズの多い通信路上のチャネル容量を算出し、可視光と近赤外光のバンドに10〜10$光子/sの1nWに埋め込まれた10msの時間ビン当たり150個のプローブ光子を送る場合、シンボルあたり0.5ビットの代表レートを達成した。 このデモンストレーションは、日中の光検出と測光(LIDAR)、リモート磁気メソメトリー、自由空間の古典的および量子的光通信など、バックグラウンドに制限された応用に有用かもしれない。

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