新型超导纳米线光子检测器实现高速量子通信

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。这种新设备有助于实现高速量子通信。  量子通信使用单光子水平的光来发送编码的量子信息，如量子密钥分配中的加密密钥。由于物理定律的存在，以这种方式传输的数据可以保证安全。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到光子，还可以精确测量它们的到达时间。     在Optica出版集团的高影响力研究杂志《Optica》上，由美国宇航局喷气推进实验室的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（用于计算光量子的性能增强阵列）探测器。  "我们的新探测器是由硅芯片上的32个氮化铌超导纳米线组成的，它可以实现高精度的高计数率，"研究小组成员、博士后学者Ioana Craiciu说。"该探测器的设计考虑到了量子通信，因为这是一个一直受限于现有探测器性能的技术领域。"  

研究小组负责人Matthew Shaw检查了安装在低温箱内的PEACOQ探测器，以便进行测试。 该探测器是作为美国宇航局项目的一部分而开发的，该项目旨在实现空间到地面的量子通信新技术，从而在未来实现跨洲际距离的量子信息共享。这项工作建立在为美国宇航局深空光通信项目开发的技术基础上，该项目将首次展示来自行星际空间的自由空间光通信。 Craiciu说："目前还没有另一个探测器能够以同样的时间分辨率如此快速地计算单光子。我们知道这个探测器将对量子通信有用，但我们也希望它能实现我们尚未考虑的其他应用。"  

更快的量子通信

加快量子通信传输速率需要在接收端有一个探测器，它可以进行快速测量，并表现出较短的死机时间，这样它就可以与到达的高速率光子抗衡。探测器还必须精确测量光子的到达时间。 Craiciu说："尽管有一些探测器可以高精度地测量光子的到达时间，但当光子快速连续到达时，它们很难跟上，可能会错过一些光子，或者把它们的到达时间弄错，我们设计的PEACOQ探测器可以精确测量单个光子的到达时间，即使它们正以很高的速度撞击探测器。它也是高效的，它不会错过许多光子。" 

PEACOQ探测器是由厚度仅为7.5纳米的纳米线制成的，或比人的头发薄约1万倍。在非常冷的温度下操作它--大约1开尔文，或-458°F--使纳米线变得超导，这意味着它们没有电阻。在超导条件下，任何击中一根导线的光子都有很大机会被该导线吸收。任何被吸收的光子都会产生一个热点，以一种可检测的方式增加电线的电阻。一台计算机和一个时数转换器被用来记录电阻变化的时间，从而记录一个光子到达探测器的时间。

当探测器测量一个光子时，它输出一个电脉冲，而时间-数字转换器非常精确地测量这个电脉冲的到达时间，其分辨率低于100皮秒，或比弹指一挥间快7000万倍。新开发的一种新的时间-数字转换器可以用这种时间分辨率同时测量多达128个通道，这很重要，因为探测器需要32个通道。   为了展示新的探测器，研究人员通过将其安装在一个低温箱中将其冷却到1开尔文。他们使用了一个定制的测试装置，将光送入低温箱到检测器，并使用一连串的电子装置将检测器的输出信号从低温箱中传输出来，将其放大并记录。由于有32根纳米线，研究人员不得不使用32套每个组件，包括32根电缆和32个每种类型的放大器。

前所未有的计数能力

"我们对检测器的工作情况非常满意，"Craiciu说。"它能够测量光子的速率是我们所见过的最高的。它需要一个复杂的设置，因为32个纳米线中的每一个都要单独读出，但对于你真正需要以高速度和高精度测量光子的应用来说，它是值得麻烦的。"  

通常情况下，正在传输的量子信息被设置为一个时钟，每条信息被编码为一个光子，并在一个刻度上发送。能多精确地测量光子到达接收器的时间，决定了抵达距离能有多近而不出错，因此它决定了能多快地发送信息。新的检测器使得以最先进的10GHz的时钟频率进行量子通信变得切实可行。

研究人员仍在努力对PEACOQ探测器进行改进，目前该探测器的效率约为80%——这意味着有20%的光子撞上探测器后没有被测量。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装置。它将包含几个PEACOQ探测器以及光学器件、读出电子器件和一个低温恒温器。

编辑：黄飞