新型探测器可实现高速量子通信

　　新型探测器由硅芯片上的32根氮化铌超导纳米线制成，可实现高精度的高计数率。来源：Ryan Lannom，JPL-Caltech/NASA
　　研究人员开发了一种新型探测器，可以以非常高的速率精确测量单光子。新设备可以帮助使高速量子通信变得实用。
　　量子通信使用单光子级别的光来发送编码的量子信息，例如量子密钥分发中的加密密钥。由于物理定律，以这种方式传输的数据可以保证保持安全。以更快的速度发送信息需要一个单光子探测器，它不仅可以快速检测光子，还可以精确测量它们的到达时间。
　　在 Optica 上发表的一篇文章中，由NASA喷气推进实验室的Matthew D. Shaw领导的研究人员描述并展示了他们用于测量光子到达时间的新探测器，他们称之为PEACOQ（用于计数光量子的性能增强阵列）探测器。
　　＂我们的新探测器由硅芯片上的32根氮化铌超导纳米线制成，可实现高精度的高计数率，＂研究团队成员，博士后学者Ioana Craiciu说。＂探测器的设计考虑了量子通信，因为这是一个受到可用探测器性能限制的技术领域。
　　该探测器是作为NASA计划的一部分开发的，该计划旨在实现空对地量子通信的新技术，该技术可以允许将来跨洲际距离共享量子信息。这项工作建立在为NASA深空光通信项目开发的技术之上，该项目将是来自行星际空间的自由空间光通信的首次演示。
　　＂目前还没有另一个探测器能够以相同的定时分辨率如此快速地计算单光子，＂Craiciu说。＂我们知道这个探测器对量子通信很有用，但我们也希望它可以实现我们没有考虑过的其他应用。 更快的量子通信
　　加快量子通信传输速率需要在接收端安装一个探测器，该探测器可以进行快速测量并表现出较短的死区时间，以便它可以与高速率的到达光子竞争。探测器还必须精确测量光子的到达时间。
　　＂虽然有探测器可以高精度地测量光子到达时间，但它们在光子快速连续到达时很难跟上，并且可能会错过一些光子或弄错它们的到达时间，＂Craiciu说。＂我们设计了PEACOQ探测器，以精确测量单光子的到达时间，即使它们以很高的速度击中探测器。它也很有效 - 它不会错过很多光子。
　　PEACOQ探测器由厚度仅为7.5纳米的纳米线制成，比人类头发细约10，000倍。在非常冷的温度下操作它 - 大约1开尔文或-458°F - 使纳米线超导，这意味着它们没有电阻。在超导条件下，任何碰到导线的光子都有很好的机会被导线吸收。任何吸收的光子都会产生一个热点，以可检测的方式增加导线的电阻。计算机和时间数字转换器用于记录电阻何时变化，从而记录光子何时到达探测器。
　　研究小组负责人Matthew Shaw检查安装在低温恒温器内的PEACOQ探测器进行测试。来源：Ryan Lannom，JPL-Caltech/NASA
　　＂当探测器测量光子时，它会输出电脉冲，时间数字转换器非常精确地测量该电脉冲的到达时间，分辨率低于100皮秒或比弹指快7000万倍，＂Craiciu说。＂我们开发了一种新的时间数字转换器，可以同时测量多达128个通道，具有这种定时分辨率，这很重要，因为我们的探测器需要32个通道。
　　为了演示新探测器，研究人员将其安装在低温恒温器中，将其冷却到1开尔文。他们使用定制的测试设置将光发送到低温恒温器到探测器，并使用一系列电子设备将探测器的输出信号从低温恒温器中传输出来，放大并记录下来。由于有32根纳米线，研究人员不得不使用32组每个组件，包括32根电缆和32种放大器。 前所未有的计数率
　　＂我们对探测器的工作非常满意，＂Craiciu说。＂它可以测量光子的速度是我们所见过的最高。它需要复杂的设置，因为32根纳米线中的每一根都是单独读出的，但对于真正需要以高精度以高速率测量光子的应用，这是值得的。
　　通常，传输的量子信息被设置为时钟，每条信息被编码成一个光子并在滴答声上发送。测量光子到达接收器的时间的精度决定了滴答声在不出错的情况下可以有多近，因此它决定了您可以多快地发送信息。新的探测器使得以10 GHz最先进的时钟频率进行量子通信变得切实可行。
　　研究人员仍在努力改进PEACOQ探测器，目前其效率约为80%，这意味着击中探测器的光子中有20%没有被测量。他们还计划建造一个可用于量子通信实验的便携式接收器单元。它将包含几个PEACOQ探测器以及光学器件，读出电子设备和低温恒温器。
　　更多信息：  Ioana Craiiciu 等人，使用超导纳米线探测器高速检测 1550 nm 单光子，  Optica   （2022）。DOI： 10.1364/OPTICA.478960
　　期刊信息：   光学