25715

طراحي و شبيه سازي آشكارساز تك فوتون مبتني بر نانوسيم ابررسانا به منظور استفاده در پردازش اطلاعات كوانتومي

كارشناسي ارشد

مهندسي برق- افزاره هاي ميكرو و نانوالكترونيك

1397

30/8/1400

دكتر شهرام محمدنژاد

مهندسي برق

بيشتر پروتكل¬هاي توزيع كليد كوانتومي ، براساس تك فوتون¬ها استوار هستند. از آنجايي كه اين پروتكل¬ها براي ارسال اطلاعات به منابع توليد تك فوتون نيازمندند، براي خواندن اطلاعات نيز لازم است تا از آشكارساز¬هاي تك فوتون استفاده كرد. آشكارسازهاي تك¬فوتون مبتني بر نانوسيم ابررسانا اصلي¬ترين تكنولوژي شمارنده¬ فوتون در حال ظهور هستند. اين نوع آشكارسازها برخلاف آشكارسارسازهاي تك¬فوتون مرسوم، در طول موج¬هاي مادون قرمز نزديك بخصوص در محدوده¬¬ي 1300nm-1550nm كه براي كاربردهاي پردازش اطلاعات كوانتومي مناسب هستند، حساسيت بالا و عملكرد مطلوبي را از خود نشان مي¬دهند. در اين پايان¬نامه با بررسي تئوري روند تشخيص فوتون در يك نانوسيم ابررسانا حامل جريان الكتريكي و بررسي و مقايسه انواع مدل¬هاي تئوري موجود براي اين منظور، يك مدل فيزيكي كامل ارائه و بررسي مي¬شود. به منظور بهبود پارامترهاي مهم آشكارسازي مد¬نظر در پردازش اطلاعات كوانتومي مانند بازدهي تشخيص، نرخ شمارش تك¬فوتون و عدم قطعيت زماني، اصول عملكرد آشكارسازي تك¬فوتون مبتني بر نانوسيم¬هاي ابررسانايي و همچنين ساختار فيزيكي آنها بررسي مي¬شود. مناسب ترين مدل فيزيكي براي اين ادوات مبتني بر تشكيل نقطه¬ي گرم، پخش شبه¬ذرات، فروريزش سد پتانسيل گرداب¬هاي مغناطيسي و حركت گرداب¬ها است كه اين مدل برخلاف مدل فيزيكي پايه مبتني بر تشكيل نقطه¬ي گرم، در انرژي¬هاي پايين محدوده¬ي مادون قرمز نزديك، بازدهي كوانتومي به صورت نمايي كاهش مي¬يابد. اين نتيجه با نتايج تجربي به دست آمده كاملا مطابقت دارد. طبق اين مدل، نشان مي¬دهيم كه بيشترين كاهش در بيشينه¬ي سد پتانسيل گرداب زماني اتفاق مي¬افتد كه بيشترين تعداد شبه¬ذرات توليد شده ناشي از برخورد فوتون را در ناحيه اي به اندازه¬ي طول همدوسي ابررسانايي در عرض نانوسيم داشته باشيم. اين زمان با در نظر گرفتن حالت اشباع شبه¬ذرات توليد شده، 1.8 برابر بيشتر مي¬شود. همچنين 3 ماده ابررساناي مرسوم WSi، TaN و NbN استفاده شده در نانوسيم را با هم مقايسه مي¬كنيم. طبق اين مدل، يك عدم قطعيت زماني مبتني بر تونل زني تصادفي گرداب¬ها تعريف خواهيم كرد و وابستگي به دما و ابعاد فيزيكي ساختار را براي WSi، TaN و NbN، بررسي و با هم مقايسه خواهيم كرد. سپس در نتيجه¬ي حركت تصادفي گرداب¬ها، بازدهي تشخيص كوانتومي اين ادوات، مبتني بر احتمال عبور تك¬گرداب مغناطيسي از سد پتانسيل گرداب تعريف مي¬شود و اين بازدهي به دما و انرژي فوتون تابيده شده كاملا وابسته است.

1400/09/27

Design and simulation of superconducting nanowire single photon detector used in quantum information processing

1/1/1900 12:00:00 AM

Most of quantum key distribution protocols are based on single photon technology. Since these protocols are required single photon sources to send information, it is also necessary to use single-photon detectors to read the information. Single-photon detectors based on superconducting nanowires are the main emerging photon counting technology. These types of detectors, unlike conventional single-photon detectors, show high sensitivity and good performance at near-infrared wavelengths, especially in the 1300nm-1550nm range, which are suitable for quantum information processing. In this thesis, a complete physical model is presented by examining the theory of photon detection process in a current carrying superconducting nanowire and reviewing and comparing the various theoretical models available for this purpose. In order to improve the important detection parameters considered in the processing of quantum information such as detection efficiency, single-photon counting rate and timing jitter, the principles of single-photon detection performance based on superconducting nanowires as well as their physical structure are examined. The most suitable physical model for these devices is based on the formation of a hotspot, diffusion of quasiparticles, the collapse of the potential barrier of magnetic vortices and the movement of vortices. This model, unlike the basic physical model based on the formation of a hot spot, in energy Below the near-infrared range, the quantum efficiency decreases exponentially. This result is completely consistent with the experimental results obtained. According to this new model, we show that the greatest reduction in the maximum vortex potential barrier occurs when the largest number of quasiparticles produced by the collision of a photon occurs in an area about the length of the superconducting coherence length across the nanowire length. This increases 1.8 times by taking into account the saturation state of the generated particles. We also compare the three conventional superconducting materials WSi, TaN and NbN used in nanowires. According to this model, we will define a temporal uncertainty based on random vortex tunneling and examine and compare the temperature dependence and physical dimensions of the structure for WSi, TaN and NbN. Then, as a result of the random motion of the vortices, the quantum detection efficiency of these devices is defined based on the probability of a magnetic vortex passing through the vortex potential barrier, and this efficiency is completely dependent on the temperature and energy of the emitted photon.

آشكارسازي تكفوتون , نانوسيم ابررسانا