评述：新型探测器可实现高速量子通信

研究背景

      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。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）因其高效率、低时序抖动和低暗计数而成为量子信息和科学的关键技术。由于量子通信协议正在利用SNSPDs的低抖动将时钟率提高到10 GHz及以上，因此在保持低抖动和高效率的情况下进行高计数率测量变得越来越重要。当SNSPD吸收一个光子时，就会产生一个热点，它会破坏超导性，并将电流从纳米线分流到读出电子器件。SNSPD可以计数光子的最大速率受限于热点消散的时间尺度。提高计数率的一种策略是通过选择超导材料或使用极短的纳米线来缩短热复位时间。然而，这些策略导致探测器的内部检测效率（IDE）较低。克服计数率限制的另一种策略是使用几根平行纳米线来测量感兴趣的信号。在这些设备中，在一根纳米线检测到光子后，其他导线仍然是超导的，并且最佳偏置以进行检测。

论文导读

      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，由NASA喷气推进实验室的Matthew D. Shaw领导的研究人员设计了PEACOQ（用于计数光学量子的性能增强阵列）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，它也仍然有效，不会错过很多光子。相关成果以High-speed detection of 1550?nm single photons with superconducting nanowire detectors为题发表在Optica上。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，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。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。

技术突破

      本文提出了一种新型探测器—PEACOQ（用于计数光学量子的性能增强阵列）探测器，能够以非常高的速率精确测量单光子。PEACOQ探测器的有效区域由 32 根平行氮化铌（NbN）纳米线的线性阵列组成，厚度仅为7.5纳米的纳米线制成，比人类头发细约10，000倍。在大约1开尔文或-458°F 的温度下操作它会使纳米线超导，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。

      本文还展示了如何通过为每个纳米线实现独立读数并使用时间行走校正技术来减少计数速率相关的时序抖动。PEACOQ阵列在两个不同的低温恒温器中在0.9 K的温度下测量。一个低温恒温器（设置A）用于同时读出所有32个通道。第二个低温恒温器（设置B）用于对单个检测器通道进行低抖动测量。在每种情况下，该器件都引线键合到定制的PCB板上，设计用于32根纳米线中的每一根的差分读数，并封装以适应自对准光纤耦合。在设置A中，极细同轴电缆将来自每根纳米线的信号连接到40 K的低温读出板。设置B具有较低的噪声和出色的定时抖动，但一次只能测量一根纳米线。

      这种PEACOQ检测器的性能增强阵列在单个 1550 nm 光学模式下，其检测效率高达78%，定时抖动低于50 ps FWHM，158次/秒的暗计数率，以及在1 dB压缩下的最大计数率为5.3 giga-counts/s。

观点评述

      研究人员开发出一种新型探测器，能够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。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。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。

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