ИСТИНА

Появление и быстрое развитие новых применений терагерцовых волн в самых различных областях, от астрономии и медицины до создания систем передачи информации, обнаружения и промышленного контроля, требует адекватного развития техники детектирования излучения терагерцового диапазона. Одной из пока еще не решенных актуальных проблем является создание высокочувствительных детекторов-счетчиков терагерцовых фотонов, не требующих глубокого охлаждения и способных работать при температурах порядка нескольких градусов Кельвина и выше. Данный проект нацелен на поиски решения этой проблемы через создание метода квантовой диагностики процессов, происходящих в терагерцовых детекторах при поглощении единичных фотонов. Планируются разработка нового метода безэталонного измерения квантовой эффективности детекторов излучения, его апробация на примерах оптических детекторов, и последующее применение в терагерцовом диапазоне. В отличие от ранее известных подходов квантовой калибровки, также использующих источники квантово-коррелированных пар фотонов, этот метод сможет применяться не только к фотодетекторам с функциями счета или разрешения по числу фотонов, но и к широкому кругу фотоприемников обычного аналогового типа. Результаты проекта будут важны для развития методов безэталонной квантовой фотометрии также в тех областях оптического диапазона частот, где возможности применения счетных детекторов ограничены. Например, в среднем ИК диапазоне, или в ближнем ИК и видимом диапазонах, но при использовании широкодоступных обычных CCD камер для получения изображений. Идея нового метода базируется на статистическом анализе условных вероятностей событий, когда один, два, или другое число однофотонных импульсов определяют итоговое аналоговое показание детектора, работающего в канале регистрации холостых фотонов при параметрическом рассеянии света. Применение однофотонного детектора в сигнальном канале регистрации и соответствующая пост-селекция аналоговых показаний холостого детектора позволяют имитировать действие источников с заданным числом фотонов в холостом канале. Планируется изучение нового подхода при параметрическом рассеянии в режимах как слабого, так и сильного усиления. Помимо характеризации квантовой эффективности детекторов, параллельно будут решаться задачи определения параметров статистических распределений фотонных откликов ряда различного вида приемников, включая сверхпроводниковые терагерцовые болометры, оптические фотоприемники на основе лавинных фотодиодов и фотоэлектронные умножители. В ходе выполнения проекта будут применяться специально созданные экспериментальные установки для генерации квантово-коррелированных фотонных пар в процессах частотно-вырожденного или сильно невырожденного по частоте спонтанного параметрического рассеяния, в том числе уникальная схема генерации и детектирования оптико-терагерцовых бифотонов - пар, состоящих из квантово-коррелированных оптического и терагерцового фотонов. В области исследования методов генерации и детектирования оптико-терагерцовых бифотонов группа заявителей проекта в настоящее время имеет безусловный международный приоритет благодаря пионерским работам последних пяти лет. Результаты данного проекта в части исследования путей увеличения степени корреляции оптических и терагерцовых фотонов будут важны не только для реализации идеи нового метода анализа фотонного отклика терагерцовых детекторов, но и для глобальной задачи распространения квантово-оптических технологий для применения в терагерцовом диапазоне спектра.

The emergence and rapid development of new applications of terahertz waves in various fields, from astronomy and medicine to the creation of terahertz communication systems, evaluation and industrial monitoring, requires an adequate development of the technology for terahertz wave detecting. One of the still unresolved urgent problems is the creation of highly sensitive photon counting terahertz detectors that do not require deep cooling and are capable of operating at temperatures of order of several degrees Kelvin and higher. This project aims to search the ways for solving this problem by using the method of quantum diagnostics of the processes occurring in terahertz detectors upon absorption of single photons. For this, a new method of referenceless measurement of the quantum efficiency of radiation detectors will be developed, tested on examples of optical detectors, and then applied in the terahertz range. In contrast to the previously known approaches of quantum calibration, which also use sources of quantum-correlated photon pairs, this method can be applied not only to photodetectors with photon counting or photon number resolving functions, but also to a wide range of photodetectors of the conventional analog type. The results of the project will be important for the development of methods of referenceless quantum photometry also in those frequency ranges where the possibilities of using photon counting detectors are limited. For example, in the mid-IR range, but using widely available conventional CCD cameras for quantum ghost imaging. The idea of the new method is based on a statistical analysis of the conditional probabilities of events when one, two, or another number of single-photon pulses determine the final analog reading of the detector connected to the idler photon registration channel in the spontaneous parametric down-conversion scheme. The inclusion of a single-photon detector in the signal recording channel and the corresponding postselection of analog readings of the idler detector allow simulating the action of sources with a given number of photons in the idler channel. It is planned to study a new approach for parametric down-conversion in regimes of both weak and strong parametric amplification. In addition to characterizing the quantum efficiency of detectors, the problems of determining the parameters of statistical distributions of photon responses of a number of different types of receivers, including superconducting terahertz bolometers, optical photodetectors based on avalanche photodiodes and photomultiplier tubes, will be solved in parallel. During the implementation of the project, specially created experimental setups will be used to generate quantum-correlated photon pairs in the processes of frequency-degenerate or strongly frequency non-degenerate spontaneous parametric down-conversion, including a unique scheme for generation and detection of optical-terahertz biphotons - pairs consisting of quantum-correlated optical and terahertz photons. In the field of research of methods for the generation and detection of optical terahertz biphotons, the group of project applicants currently has a world priority due to the pioneering researches of the last 5 years. The results of this project on the study of ways to increase the degree of correlation between optical and terahertz photons will be important not only for the implementation of the idea of a new method for analyzing the photon response of terahertz detectors, but also for the global problem of spreading quantum-optical technologies for their application in the terahertz range of the spectrum.

1. Будет разработан и апробирован новый метод безэталонной калибровки квантовой эффективности фотодетекторов различного типа, применимый как к детекторам с функцией счета фотонов, так и к широкому кругу обычных аналоговых детекторов, не обладающих этой функцией. Метод будет продемонстрирован на примере измерения квантовой эффективности однофотонных оптических детекторов счетного типа и аналоговых детекторов, которые не могут работать в режиме счета чисел фотонов. Так же как и другие известные методы квантовой безэталонной калибровки детекторов, новый метод будет основан на применении квантово-коррелированных пар фотонов сигнального и холостого излучения, генерируемого при нелинейно-оптическом процессе параметрического рассеяния света. Однако, в отличие от ранее разработанных подходов, он сможет применяться для всех типов детекторов, а не только детекторов, способных работать в режиме счета числа фотонов. Это сильно расширяет области квантовой калибровки, которой становятся доступны обычные фотоприемники с аналоговым выходом информации, включая как однописксельные, так и матричные детекторы с токовыми показаниями от каждого пикселя. Результаты решения этой задачи будут важны не только для калибровки терагерцовых приемников, но и для применения квантовых технологий в других спектральных областях, в которых счетные детекторы пока не созданы, либо не могут применяться по условиям задачи. Например, в среднем ИК диапазоне, или в ближнем ИК и видимом диапазонах, но при использовании широкодоступных обычных CCD камер для получения изображений. Новые методы исследования и оценки квантовой эффективности будут важны для применения квантовых технологий, а также при решении более широкого круга задач - для изучения физических процессов, происходящих в фоточувствительных элементах различного типа детекторов при поглощении квантов излучения. 2. Будут разработаны методы анализа аналоговых показаний терагерцовых болометров, соответствующих регистрации единичных или малого числа фотонов. Будут предложены способы применения однофотонных оптических детекторов для характеризации отклика аналоговых терагерцовых детекторов на фотонном уровне в процессе детектирования коррелированных пар фотонов оптических и терагерцовых частот, генерируемых при частотно-невырожденном спонтанном параметрическом рассеянии света. Будет впервые предложен и апробирован не имеющий аналогов метод исследования квантовой эффективности и чувствительности охлаждаемых детекторов терагерцового излучения. Будут развиты методы пост-селекции при обработке показаний детекторов оптико-терагерцовых бифотонных пар для имитации однофотонных источников терагерцового излучения. Будут исследованы параметры однофотонного оклика охлаждаемых терагерцовых болометров в условиях измерения коррелированных оптико-терагерцовых бифотонных полей при параметрическом рассеянии в условиях слабого усиления, а также при измерении фактора подавления шума разностного фототока в условиях вынужденного параметрического рассеяния. Создаваемые новые подходы будут иметь большое значение для дальнейшего развития техники детектирования в терагерцовом диапазоне, применения квантовых технологий в этой области, создания высокочувствительных терагерцовых детекторов, не требующих глубокого охлаждения. Определение статистических распределений параметров и вероятности однофотонного отклика для детекторов этого диапазона позволит сравнивать энергетическую эффективность приемников, определять возможность и условия использования их чувствительных элементов в задачах обнаружения слабых световых потоков, исследовать пути создания однофотонных терагерцовых детекторов, способных работать при все более высоких температурах, широко применять методы квантовой сенсорики, а также методы передачи и обработки квантовой информации по терагерцовым каналам в будущем. 3. Будут определены экспериментальные условия генерации и детектирования оптико-терагерцовых бифотонных полей с высоким уровнем квантовых корреляций. Будет разработана схема экспериментальной установки, предложены и апробированы методы обработки статистических показаний детекторов сигнальных и холостых волн параметрического рассеяния света, эффективные для различных приложений оптико-терагерцовых бифотонных полей. Решение этой задачи будет важным шагом не только на пути решения главной проблемы этого проекта, но и в целом, для внедрения других квантовых технологий в терагерцовый диапазон спектра. Чрезвычайно привлекательные задачи построения изображений в терагерцовых лучах с использованием оптической CCD камеры методом квантовой визуализации, создания и применения однофотонных источников терагерцового излучения, а также другие полезные приложения требуют применения бифотонных полей с высоким уровнем корреляций. Важнейшим условием при этом является возможность регистрации одномодовых терагерцовых и оптических полей в условиях предельно малого времени детектирования. Эти и другие проблемы будут решаться коллективом участников проекта, который впервые показал возможность прямого количественного измерения корреляционных функций оптико-терагерцовых бифотонных полей. Работы коллектива по созданию экспериментальных схем и теоретическому анализу сопутствующих проблем, опубликованные в 2017-2021 гг., а также накопленный при этом опыт, позволяют надеяться, что лидерство в решении данных задач будет также сохраняться за группой российских ученых - заявителей проекта. 4. Будет разработан метод моделирования статистических распределений показаний аналоговых приемников излучения и определения параметров отдельных вкладов, соответствующих поглощению определенного числа фотонов в чувствительном элементе детектора. В результате применения метода в ходе выполнения проекта будут определены параметры статистических распределений импульсов, формирующихся после элементарных актов поглощения единичных фотонов на выходе оптических приемников различного типа и сверхпроводящих терагерцовых болометров в различных режимах работы. Будет получена информация о средней величине и дисперсии однофотонного вклада, зависимости этих параметров от интенсивности входного излучения и условий функционирования применяемых детекторов. В дальнейшем, разработанный в проекте метод анализа гистограмм аналоговых показаний найдет применение не только при пост-селекции показаний и измерении квантовой эффективности детекторов, но и в более широком круге задач, связанных с диагностикой откликов детекторов на фотонном уровне.

Изучены условия генерации сильно коррелированных фотонов двух чрезвычайно разных частотных диапазонов, оптического и терагерцового, посредством эффекта спонтанного параметрического рассеяния в нелинейной среде. Исследована экспериментально угловая структура рассеянного излучения, генерируемого при сильно невырожденном параметрическом рассеянии света, когда частота холостого излучения не превышает нескольких терагерц. С помощью болометра на горячих электронах продемонстрирована возможность регистрации слабых потоков фотонов ТГц диапазона, генерируемых при СПР с низким коэффициентом усиления. Исследованы условия генерации и детектирования квантово-коррелированных пар фотонов оптических и терагерцовых частот в процессе параметрического рассеяния света. Определены частотно-угловые распределения сигнального излучения, генерируемого при СПР с холостыми стоксовыми частотами 0.2–5 ТГц, одновременно с такими же распределениями в антистоксовом диапазоне при охлаждении нелинейного кристалла Mg:LiNbO3 от 300 К до 4.2 К. Показано, что температурный рост отношения числа сигнальных и холостых фотонов и их ненормированной корреляционной функции обеспечивается подавляющим увеличением классических флуктуаций, а чисто квантовые вклады не столь чувствительны к температуре кристалла. Впервые была измерена корреляционная функция второго порядка оптического и терагерцового фотонов, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии света. Предложена схема эксперимента, основанная на анализе аналоговых показаний терагерцового и оптического детекторов, обсуждаются результаты применения различных подходов к исключению влияния шумов электронной и тепловой природы на измеряемый уровень корреляций. Полученные результаты открывают возможности для продвижения в терагерцовый диапазон квантово-оптических технологий, таких как квантовая калибровка детекторов, создание однофотонных источников, построение изображений с использованием однопиксельных детекторов.

1. Разработаны методы безэталонной калибровки квантовой эффективности аналоговых фотоприемников, основанные на а) определении средних чисел падающих на калибруемый фотоприемник фотонов через измерение бифотонной корреляционной функции и б) определении среднего числа элементарных фото-импульсов, формируемых детектором при облучении, путем деконволюции гистограмм распределений аналоговых показаний фотоприемника. 2. Разработан метод безэталонного измерения спектральной чувствительности детектора в процессе регистрации излучения ПР, основанный на измерении его аналогового (токового) отклика и определении мощности детектируемого излучения через измерение бифотонной корреляционной функции. 3. Проведен сравнительный анализ различных подходов, нацеленных на повышение уровня квантовых корреляций полей оптических и ТГц частот, генерируемых при сильно частотно-вырожденном ПР. Разработаны способы измерения неклассических параметров бифотонов по аналоговым показаниям доступных детекторов. 4. Развиты методы определения параметров статистических распределений элементарных импульсов тока, которые формируются при поглощении фотонов. Методы основаны на измерении статистических распределений показаний оптических и ТГц детекторов при облучении калиброванными потоками фотонов ПР и последующей численной аппроксимации полученных гистограмм. При аппроксимации гистограммы представляются в виде сверток распределений шумовых показаний и фототоков, образованных свертками пуассоновского распределения числа фото-отсчетов с соответствующим числом функций, описывающих статистику элементарного отклика фотодетектора. 5. Разработаны методы исследования условий формирования, статистических параметров и квантовой эффективности элементарных откликов HEB детектора. Развит метод определения средних чисел падающих фотонов по корреляционной функции оптико-терагерцового бифотонного поля. Впервые реализован безэталонный метод измерения спектральной ампер-ваттной чувствительности охлаждаемого ТГц детектора на частотах в области 1-2 ТГц. Моделирование гистограмм сверхпроводникового HEB позволило выявить дискретную структуру его токового отклика при наносекундном облучении сверхслабыми потоками фотонов, определить средние числа элементарных фото-откликов сверхпроводящего элемента, исследовать вклады откликов в общий выходной ток детектора. Показано, что при ТГц облучении в течение пикосекундных интервалов времени линейность отклика сохраняется, но дискретная структура гистограмм исчезает. Впервые обнаружен эффект зависимости заряда, формируемого в сверхпроводящей пленке при возникновении элементарного импульса, от интенсивности излучения. Это означает, что формирование одного фото-отклика может происходить в результате поглощения различного числа фотонов в сверхпроводящей полоске. Полученные результаты отличают ТГц HEB от большинства оптических фотоприемников и свидетельствуют о специфике взаимодействия сверхпроводящих элементов HEB с излучением.