这项技能让我国在太空量子通讯范畴显着抢先

我国的量子通讯卫星“墨子号”现已取得了一系列令人形象深入的打破，这要归功于强壮的光子探测器能够战胜背景噪声。

单光子的新式用处之一是将量子信息打包并发送到另一个方位。这项被称为量子通讯的技能利用了物理规律来保证信息不会被任何窃听者读取。

该技能面对的一项应战是怎么将量子信息传送到国际各地。这是一个难以处理的问题，由于带着量子信息的光量子十分软弱，任何光子与其环境之间的任何相互作用都会损坏它。在不损坏光子带着的量子信息的情况下，现在地上传输的极限为 142 公里，经过光纤完结量子密钥分发的极限为 421 公里——间隔越远，光量子传输功率越低。

为此，我国物理学家想出了一种处理办法：将光子发射到轨迹卫星上，卫星再将其间继到地球表面的另一个方位。这样一来，便可将光子在大气中传输的旅程最小化。假如光子是从高海拔的地上站发射的，则它们的行程首要是经过空阔的真空。

但有个问题，量子通讯需求能够辨认和丈量单个光子的探测器。近年来，物理学家现已规划和制作出了越来越活络的设备，能够完结这一使命。

可是，设备的灵敏性使它们很简单遭到一切类型的背景噪声的影响，这些背景噪声或许会使来自光子自身的信号不堪重负。在太空中，单光子探测器的噪声首要来自两部分：器材自身的缺点和在外太空中遭受重离子质子炮击的噪声，以及外来噪声如杂散光子、各种重离子、质子引起的呼应等。

构建可在这种环境下作业的单光子探测器是一项严峻应战。也就难怪，物理学家们为这一难题现已费尽心机很长一段时间了。

现在，来自坐落合肥的我国科技大学的彭承志和他的搭档们说，他们现已处理了这样的一个问题。曩昔两年中，他们乃至现已在轨迹卫星上测验了探测器，并表明它作业杰出。

图 | 1 号和 2 号单光子探测器在开始 262 天的暗计数率，赤色和黑色为观测数据，绿色为辐射引发的暗计数率，蓝色为月光引发的暗计数率（来历：论文）

该小组的探测器利用了一种称为雪崩击穿的现象，这种现象在特别情况下会在半导体芯片中发作。比如硅之类的半导体以自在电子和空穴的办法传导电流，自在电子和空穴能够在电场的影响下穿过资料晶格。

在一般的情况下，这些电荷载流子被捆绑在晶格上，因而不能移动。此刻，资料是绝缘体。

可是，假如电子被开释出来（或许是由于热动摇或入射光子的碰击而被开释），它就能够穿过结构，然后发生电流。在这种情况下，该资料成为导体。

当然，以这种办法开释的单个电子会发生难以检测的细小电流。因而，雪崩击穿的诀窍是树立一个电压，该电压可敏捷将自在电子加快到足够高的速度，以使其他导电电子被自在击落。这会发生连锁反应，也便是雪崩，然后发生更大、更简单检测到的电流。

近年来，物理学家现已将这些设备改善得如此灵敏，以至于特定波长的单个光子就能触发这种雪崩。如此一来，一台单光子检测器能够发现击中它的大多数光子。

可是，取得这种灵敏性需求付出代价。太空中的高能粒子炮击器材晶体，使内部呈现缺点导致本体暗技能添加，以至于或许吞没了物理学家期望丈量的光子信号。

因而，彭承志和其搭档的使命是寻觅办法来维护和进步商业上现成的单光子探测器的功能，使之能够在太空中作业。

他们的第一个处理方案很简单，即在探测器周围设置屏蔽层，阻挠高能粒子。这是一种奇妙的平衡做法，由于屏蔽层很重，因而进入轨迹的本钱很高。屏蔽层和高能粒子之间的相互作用还或许发生次级粒子阵雨，使暗度计数变得更糟。

彭承志和其搭档终究决议装置一个双层的屏蔽层。外层是 12 毫米的铝片，内层是 4 毫米的密度更大、分量更重的钽片。由此发生的屏蔽将辐射剂量下降了 2.5 倍。

该屏蔽层还能够用作绝热体，将雪崩光二极管的温度控制在-50°C，经过下降器材本体温度，能按捺太空高能粒子炮击发生的缺点的噪声表达。

图 | 星载低噪声 Si-APD 单光子探测器的维护与装置（来历：论文 ）

最终，该团队使用了被迫淬火电路，结合高压偏置调理、温度调理等，能够灵敏地找到最优信噪比的作业点。

一切这些办法的作用都很显着。关于无维护的单光子探测器，预期的暗计数速率超越每秒 200 个计数，并会每天不断堆集，然后吞没真正要丈量的暗计数。

可是，改善后的探测器的暗计数率仅为每秒 0.54 个计数，使得堆集的增量下降了两个数量级。

图 | 单光子探测器（SCD）示意图，其间 ADC 为模/数转换器，DAC 为数/模转换器，COMP 为比较器，DDF 为 D 触发器，PWM 为脉冲宽度调制器，TEC 为半导体制冷器，HV 表明高电压。ADC、DAC 和 PWM 都连接到现场可编程门阵列（FPGA）（来历：论文）

2016 年，彭承志和其搭档在我国“墨子号”卫星上发射了探测器，这是一种量子技能演示，取得了一系列令人形象深入的打破。例如，探测器是 2017 年将量子态的信息从地球传送到卫星的要害组件。卫星还启用了各大洲之间的第一个量子加密视频通话。

这些试验为新一代天基量子通讯奠定了根底。“咱们的单光子探测器为深空光通讯中的空间研讨和使用、单光子激光测距以及空间物理学的基本原理测验发明了新的时机。”彭承志和其搭档说。

一起，其他几个国家的量子物理学界对此都仰慕不已，我国在天基量子通讯范畴具有显着的领先地位。

欧洲正在研讨一种称为“安全和加密使命”（SAGA）的轨迹量子技能演示器。这是在整个非洲大陆树立量子通讯网络的庞大方案的一部分。可是，没有发布发动日期。

相比之下，美国的方案却阻滞了。2012 年，军事技能研讨机构 DARPA 发动了一个名为 Quiness 的项目，以测验太空中的量子通讯技能。可是该项目以及整个范畴严峻缺少资金。

现在要害问题是，国际其他地区方案怎么迎头赶上。

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修改：牛耕

参阅：

https:///s/614657/how-china-built-a-single-photon-detector-that-works-in-space/

https://arxiv.org/abs/1910.08161