izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2020-8-28-35izmertech-1824Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSИзмерение эффективности детектирования однофотонных приёмников на основе спонтанного параметрического рассеяния и метода гетеродинированияDetection effciency measurement of single-photon detectors based on spontaneous parametric scattering using the heterodyning methodСамойленкоА. А.SamoylenkoA. A.

Москва

Alexei A. Samoylenko

Mosow

asamoylenko@vniiofi.ruИвановА. Д.IvanovA. D.

Москва

Alexei D. Ivanov

Mosow

academi@ya.ruЛевинГ. Г.LevinG. G.

Москва

Gennady G. Levin

Mosow

levin@vniiofi.ruВсероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измеренийРоссияAll-Russian Research Institute for Optical and Physical MeasurementsRussian Federation202014072023082835Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1824

Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения компонентов квантовых информационных систем. Описан приведённый в международном стандарте ETSI референтный метод Клышко, который основан на использовании эффекта спонтанного параметрического рассеяния. Показано, что для детекторов единичных фотонов время измерения увеличивается на порядок при шумах с высокой плотностью мощности на низких частотах, сравнимой с уровнем полезного сигнала. Для повышения эффективности накопления сигнала предложено использовать метод гетеродинирования. Метод заключается в накоплении сигнала на более высокой частоте и введении в стандартную схему Клышко модуляции. Предложенный метод численно смоделирован, экспериментально установлено увеличение отношения сигнал–шум в 14 раз по сравнению с простым накоплением сигнала.

Recent active development of quantum computers and quantum key distribution systems requires characterization of the parameters of single-photon detectors. A key parameter of single-photon detectors is detection efficiency. One of the methods for measuring the detection efficiency given in the international ETSI standard is the Klyshko reference-free method based on the use of the effect of spontaneous parametric downconversion. The signal-to-noise ratio (SNR) of this method depends on a combination of the pump wavelength, the nonlinear crystal axis angle, and the type of detector sensitive element. When the combination is complex, one has to deal with low SNR. In this case, to obtain a high SNR, long-term signal accumulation is necessary. In real detectors, the situation is complicated by the presence of a high noise level at low frequencies. The heterodyning-based method we have proposed consists in introducing modulation into the standard Klyshko scheme and accumulating the signal at a higher frequency. The method was numerically modeled and experimentally tested. A 14 times improvement in SNR was demonstrated compared to simple signal accumulation.

спонтанное параметрическое рассеяниереферентная калибровка однофотонных детекторовгетеродинирование.spontaneous parametric down-conversionreference-free single photon detectors calibrationheterodyning.ReferencesDréau A., Tcheborateva A., Mahdaoui A. E., Bonato C., Hanson R., Phys. Rev. Applied., 2018, vol. 9, p. 064031. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.9.064031. Dréau A., Tcheborateva A., Mahdaoui A. E., Bonato C., Hanson R., Phys. Rev. Applied., 2018, vol. 9, p. 064031. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.9.064031Trofi mov S. D., Tarelkin S. A., Bolshedvorskii S. V., Bormashov V. S., Troshchiev S. Yu., Golovanov A. V., Luparev N. V., Prikhodko D. D., Boldyrev K. N., Terentiev S. A., Akimov A. V., Kargin N. I., Kukin N. S., Gusev A. S., Shemukhin A. A., Balakshin Y. V., Buga S. G., Blank V. D., Opt. Mater. Express., 2020, vol. 10, p. 198. https://doi.org/10.1364/OME.10.000198Trofi mov S. D., Tarelkin S. A., Bolshedvorskii S. V., Bormashov V. S., Troshchiev S. Yu., Golovanov A. V., Luparev N. V., Prikhodko D. D., Boldyrev K. N., Terentiev S. A., Akimov A. V., Kargin N. I., Kukin N. S., Gusev A. S., Shemukhin A. A., Balakshin Y. V., Buga S. G., Blank V. D., Opt. Mater. Express., 2020, vol. 10, p. 198. https://doi.org/10.1364/OME.10.000198Jessica Y. Cheung, Christopher J. Chunnilall, Geiland Porrovecchio, Marek Smid, and Evangelos Theocharous, Opt. Express, 2011, vol. 19, pp. 20347–20363. https://doi.org/10.1364/OE.19.020347Jessica Y. Cheung, Christopher J. Chunnilall, Geiland Porrovecchio, Marek Smid, and Evangelos Theocharous, Opt. Express, 2011, vol. 19, pp. 20347–20363. https://doi.org/10.1364/OE.19.020347Д. Н. Клышко, А. Н. Пенин. Перспективы квантовой фотометрии // Успехи физических наук. 1987. Т. 152. Вып. 4. С. 653–665. https://doi.org/10.3367/UFNr.0152.198708e.0653Klyshko D. N., Penin A. N., Sov. Phys. Usp., 1987, vol. 30, pp. 716–723. https://doi.org/10.1070/PU1987v030n08ABEH002939Migdall A., Castelletto S., Degiovanni I., and Rastello M., Appl. Opt., 2002, vol. 41, pp. 2914–2922. https://doi.org/10.1364/AO.41.002914Migdall A., Castelletto S., Degiovanni I., and Rastello M., Appl. Opt., 2002, vol. 41, pp. 2914–2922. https://doi.org/10.1364/AO.41.002914Polyakov S. V., Migdall A. L., Opt. Express, 2007, vol. 15, pp. 1390–1407. https://doi.org/10.1364/oe.15.001390Polyakov S. V., Migdall A. L., Opt. Express, 2007, vol. 15, pp. 1390–1407. https://doi.org/10.1364/oe.15.001390F. Di Capua et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, 2018, vol. 65, no. 8, pp. 1654–1660. https://doi.org/10.1109/TNS.2018.2814823F. Di Capua et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, 2018, vol. 65, no. 8, pp. 1654–1660. https://doi.org/10.1109/TNS.2018.2814823Karami M. A., Carrara L., Niclass C., Fishburn M., and Charbon E., IEEE Electron Device Letters, 2010, vol. 31, no. 7, pp. 692–694. https://doi.org/10.1109/LED.2010.2047234Karami M. A., Carrara L., Niclass C., Fishburn M., and Charbon E., IEEE Electron Device Letters, 2010, vol. 31, no. 7, pp. 692–694. https://doi.org/10.1109/LED.2010.2047234Alan L. Migdall, IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement, 2001, vol. 50, no. 2, pp. 478–481. https://doi.org/10.1109/19.918170Alan L. Migdall, IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement, 2001, vol. 50, no. 2, pp. 478–481. https://doi.org/10.1109/19.918170Гостев П. П., Агапов Д. П., Дёмин А. В., Левин Г. Г., Мамонов Е. А., Магницкий С. А. Измерение эффективности детектирования счетчиков одиночных фотонов на базе лавинных фотодиодов методом спонтанного параметрического рассеяния с асимметричными по спектру каналами // Измерительная техника. 2018. № 12. С. 27–32. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2018-12-27-32Gostev P. P., Agapov D. P., Demin A. V., Levin G. G., Mamonov E. A., Magnitsky S. A., Measurement Techniques, 2019, vol. 61, no. 12., pp. 1166–1173. https://doi.org/10.1007/s11018-019-01565-6

The authors declare that there are no conflicts of interest present.