Accurate Unsupervised Photon Counting from Transition Edge Sensor Signals

La photonique est une plateforme prometteuse pour construire des systèmes de traitement de l’information quantique à grande échelle [1–5]. Dans beaucoup de ces systèmes, la détection du nombre de photons joue un rôle essentiel en fournissant une ressource clé pour obtenir un avantage quantique. Ces détecteurs peuvent être utilisés, par exemple, pour générer des états quantiques non-gaussiens [6–13], pour échantillonner des distributions de probabilité difficiles à calculer classiquement [14–19] ou pour améliorer la précision d’expériences interférométriques en résolvant directement plusieurs quanta [20, 21]. L’utilisation de détecteurs capables de compter le nombre de photons est intéressante, car un seul détecteur peut mesurer précisément le nombre de photons d’un état quantique [22,23], sans avoir besoin d’un réseau complexe de détecteurs de seuil avec tous les problèmes de complexité et d’inefficacité que cela peut entraîner [16, 24, 25]. Les capteurs à effet de transition (Transition Edge Sensors ou TES) ont été utilisés pour cette tâche, offrant une résolution élevée sur une large gamme d’énergies. La résolution de 30 photons dans un pulse de lumière a été démontrée [26], bien que les performances soient souvent plus modestes, de l’ordre de 17 photons, avec des techniques plus simples [23]. Les TES exploitent la transition de phase supraconductrice de matériaux photosensibles pour obtenir un calorimètre extrêmement sensible [27]. Pendant l’utilisation des détecteurs, le matériau est refroidi en dessous de sa température critique puis soumis à un courant dans la région de transition entre l’état supraconducteur et l’état normal. L’absorption d’un photon fait alors varier de manière mesurable la résistance du matériau [28, 29]. Ce changement de résistance est ensuite détecté par un amplificateur à faible bruit comme les dispositifs SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), qui permettent aussi de créer des réseaux denses de détecteurs TES grâces au multiplexage [27]. La lecture des signaux de ces détecteurs n’est cependant pas triviale, car la quantité que l’on veut mesurer, l’énergie (ou le nombre de photons à fréquence fixe), se traduit de manière non linéaire dans le signal de tension [30]. Par le passé, on a utilisé l’intégrale (l’aire) du signal pour estimer le nombre de photons [23,31], mais cette méthode perd en résolution pour les grands nombres de photons. Des techniques linéaires comme l’analyse en composantes principales (PCA) ont alors été employées [32], ainsi que des méthodes d’apprentissage automatique inspirées de l’algorithme des K-moyennes pour tenir compte de la statistique de Poisson des sources laser [33].