Titelaufnahme
Titelaufnahme
- TitelScaling detection and characterization methods of photon-number-resolving superconducting detectors / Timon Schapeler
- Autor
- Gutachter
- Erschienen
- Umfang1 Online-Ressource (145 Seiten in verschiedenen Seitenzählungen) : Diagramme
- HochschulschriftKumulative Dissertation Universität Paderborn, Dissertation, 2026
- AnmerkungTag der Verteidigung: 19.08.2026
- Verteidigung2026-08-19
- SpracheEnglisch
- DokumenttypDissertation
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Zusammenfassung
Licht wird in alltäglichen Anwendungen meist als optische Leistung gemessen, besteht jedoch grundsätzlich aus einzelnen Photonen. Diese Arbeit untersucht, wie die Photonenzählung vom Einzelphotonenbereich auf größere Photonenzahlen ausgeweitet werden kann, um so die Lücke zu klassischen optischen Leistungsmessern zu verringern. Es werden drei Ansätze entwickelt und kombiniert. Erstens wird die Quantendetektortomographie, eine Methode zur vollständigen Charakterisierung komplexer Detektoren, mithilfe effizienter Hochleistungsrechneransätze skaliert. Zweitens wird die Photonenzahlauflösung bei supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren untersucht, indem elektrische Signalkurven analysiert, ein auf Ankunftszeiten basierendes Modell entwickelt und der Einfluss von Jitter, optischer Pulsdauer und Photonenzahlzuordnung quantifiziert wird. Drittens wird die intrinsische Photonenzahlauflösung mit räumlichem und zeitlichem Multiplexing kombiniert. Das Ergebnis ist ein Detektor mit hohem Dynamikbereich, der Tausende Photonen pro Puls messen kann. Diese Arbeit zeigt, dass photonenzahlauflösende Messungen auf Bereiche ausgeweitet werden können, die bisher hauptsächlich durch klassische optische Leistungsmessungen zugänglich waren. Darüber hinaus sind diese Methoden wichtig für zukünftige photonische Quantentechnologien und Detektorsysteme mit einer steigenden Anzahl optischer Moden, die eine quantenmechanisch konsistente Beschreibung erfordern.
Abstract
Light is usually measured as a continuous optical power in everyday applications, but fundamentally it consists of individual photons. This thesis investigates how photon counting can be extended from the single-photon regime toward much larger photon numbers, thereby reducing the gap to classical optical power meters. Three approaches are developed and combined. First, quantum detector tomography, a method for fully characterizing complex photon-counting detectors, is scaled using efficient high-performance-computing approaches. Second, photon-number resolution with superconducting nanowire single-photon detectors is investigated by analyzing electrical traces, developing an arrival-time-based model, and quantifying the influence of jitter, optical pulse duration, and photon-number assignment. Third, intrinsic photon-number resolution is combined with spatial and temporal multiplexing. The result is a high-dynamic-range photon-counting detector capable of measuring thousands of photons per pulse. This work shows that photon-number-sensitive measurements can be extended toward regimes that were previously accessible mainly through classical optical power measurements. Further, these methods are important for future photonic quantum technologies and detector systems with increasing numbers of optical modes, which require a quantum-mechanically consistent description.
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