原子光探测器探测嵌入阳光中的单光子信号

在宽带背景中检测少量光子信号是光子计数的极端挑战，需要接受窄范围光学频率的滤波，同时强烈抑制其他所有频率。最近的工作 [Zarraoa 等, Phys. Rev. Res. 6, 033338 (2024)] 表明，囚禁的单原子可作为低暗计数窄带光探测器。本文表明，这种“量子跃迁光探测器” (QJPD) 方法还能检测嵌入强阳光中的单光子信号。我们使用单个钠原子作为 QJPD，在约 $10^{10}$ 光子/s 的阳光功率下计数来自窄带激光光子的到达。我们推导了原子内部态动力学的速率方程模型，实验结果与之高度吻合。利用该模型，我们计算了在发送 150 个探测光子于 10 ms 时间槽中嵌入约 1 nW 阳光（可见和近红外波段约 $10^{10}$ 光子/s）时，该信道的容量，实现了代表性的 0.5 比特/符号速率。该演示可能受益于日间激光雷达 (LIDAR)、遥感磁测、以及自由空间经典和量子光通信等背景受限应用。