Detección y conteo de fotones en experimentos de óptica cuántica

Abstract

En este trabajo se diseñó e implementó un sistema autónomo y reconfigurable para conteo de pulsos temporalmente correlacionados, basado en un arreglo de compuertas lógicas programables (FPGA). Este módulo de coincidencias es uno de los componentes fundamentales para aplicaciones de información cuántica y comunicación cuántica con fotones, en donde el sistema de detección consta de fotodiodos de avalancha (APDs) trabajando en modo Geiger. El módulo desarrollado permite el conteo de pulsos individuales provenientes de cuatro entradas independientes, al mismo tiempo que es capaz de contar coincidencias múltiples de dos, tres y cuatro fotones, dentro de ventanas temporales variables. Adicionalmente se programaron, en la misma FPGA, módulos accesorios para la caracterización funcional del dispositivo desarrollado en forma agnóstica del experimento, ya que los mismos nos permiten generar señales electrónicas con propiedades estadísticas definidas por el usuario capaces de simular el arribo de señales provenientes de un experimento real. Para esto se implementó un circuito generador de números pseudoaleatorios con ayuda del cual se simularon tres tipos fuentes ópticas con distinta estadística de fotodetección: láser, térmica y de fotones individuales (estados de Fock de n fotones). Para cada una de las fuentes implementadas se simuló, íntegramente en la placa de desarrollo, el experimento de Hanbury-Brown y Twiss sin retardos, y se obtuvo la función de correlación de segundo orden, que da cuenta de la estadística de la fuente. El desarrollo se completó con una interfaz gráfica que permite controlar los parámetros de detección de cada experimento y observar los resultados en tiempo real.