Des physiciens du NIST (National Institute of Standard and Technology) ont présenté un capteur qui détecte et compte les photons uniques, avec un taux d'efficacité de 88%. Cette efficacité record est une étape importante vers la fabrication de détecteurs simples et fiables de photons adaptée au domaine de la cryptographie quantique, la méthode la plus sécurisée connue pour assurer la confidentialité des télécommunications.
Les carrés jaunes au centre sont les détecteurs de photons du NIST.
Les deux capteurs du haut mesurent 25 microns de coté,
ceux du bas 50 microns
Les détecteurs se composent de petits carrés de film de tungstène, de 25 par 25 micromètres et de 20 nanomètres d'épaisseur, refroidis à 110 milliKelvin environ, la température de transition entre la conductivité normale et la supraconductivité. Lorsqu'un photon parvient sur le film de tungstène par l'intermédiaire d'une fibre optique, la température s'élève ce qui a comme conséquence une augmentation de la résistance électrique. Le changement de température est proportionnel à l'énergie du photon, ce qui permet au capteur de déterminer le nombre de photons présents dans une impulsion de lumière monochromatique.
Ce type de détecteur a une efficacité limitée car quelques photons sont réfléchis par la surface et d'autres traversent complètement le tungstène. Les scientifiques du NIST ont plus que quadruplé l'efficacité de détection au cours des deux dernières années en déposant le tungstène au-dessus d'un miroir métallique et en le garnissant d'un enduit anti-réfléchissant, afin de permettre l'absorption de plus de lumière par la couche de tungstène.
Ces capteurs fonctionnent à une longueur d'onde dans le proche infrarouge utilisée pour les transmissions par fibre optique et produisent des comptes faux (ou sombres) négligeables. Les simulations indiquent qu'il devrait être possible d'augmenter l'efficacité bien au-dessus de 99% à n'importe quelle longueur d'onde depuis l'ultra-violet jusqu'au proche infrarouge, en établissant une structure optique avec plus de couches et un contrôle plus fin de leur épaisseur.
Les transmissions quantiques et les systèmes de cryptographie emploient les propriétés quantiques des photons pour représenter les zéros et les uns. Les capteurs du NIST pourraient être utilisés comme récepteurs pour de tels systèmes de transmissions, comme outils d'étalonnage pour des sources de photons uniques et comme outils d'évaluation pour tester la sécurité des systèmes. Ils pourraient également être employés pour étudier la performance des systèmes optiques en lumière ultra faible et pour tester les principes de la physique quantique.