在量子极限探测和基于测量的量子计算领域，单光子探测是基础技术之一。在光学频段，单光子探测能够通过各种自然材料的不可逆光致电离效应来实现，然而在微波光子频段，由于微波光子的能量比光学频段光子低10^5数量级以上，因而无法在宏观尺度上直接触发类似的可观测现象，也就难以进行单光子探测。
近日，来自法国的一个研究小组提出并实现了一种新型的量子比特和微波谐振腔的相互作用，然后利用这种新型的相互作用实现了巡回微波光子的单光子探测，其研究成果发表在了《Physical Review X》期刊上。
该研究小组采用的微波谐振腔具有两个模式，分别作为“缓冲模式”（buffer mode）和“耗散模式”（waste mode），然后用一个量子比特和这两个模式同时进行耦合。当对量子比特施加一个微波驱动信号时，该微波驱动信号会与进入“缓冲模式”的微波光子实现三波混频作用，从而使量子比特处于激发态，并在“耗散模式”中产生一个光子，而产生的光子将不可逆的被耗散到“耗散模式”耦合的外围传输线中，即实现了一个不可逆的三波混频过程。进一步利用“耗散模式”对量子比特进行状态测量，就能够获得是否有微波光子进入“缓冲模式”的信息。同时，若对“耗散模式”施加一个相干驱动，则又能够将量子比特恢复到基态，即实现系统的快速复位。
该方案不需要对探测微波光子的波形和达到时间有任何先验信息，并且系统的退相干特性也不会触发系统暗计数。该小组实验结果获得了58%的单微波光子检测效率和平均1.4个/ms的暗计数率，而进行一次探测的周期仅约为7 μs。该研究成果为单微波光子的探测提供了一种新的实现方向，通过设计更复杂结构有希望进一步实现光子数分辨的微波光子探测等。
论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021038
（来源：北京量子信息科学研究院微信公众号）