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新型超導(dǎo)納米線光子檢測器可實(shí)現(xiàn)高速量子通信 量子通信使用單光子水平的光來發(fā)送編碼的量子信息，如量子密鑰分配中的加密密鑰。由于物理定律的存在，以這種方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以保證安全。以更快的速度發(fā)送信息需要一個單光子探測器，它不僅可以快速檢測到光子，還可以精確測量它們的到達(dá)時間。  在Optica出版集團(tuán)的高影響力研究雜志《Optica》上，由美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Matthew D. Shaw領(lǐng)導(dǎo)的研究人員描述并展示了他們用于測量光子到達(dá)時間的新探測器，他們稱之為PEACOQ（用于計(jì)算光量子的性能增強(qiáng)陣列）探測器。 "我們的新探測器是由硅芯片上的32個氮化鈮超導(dǎo)納米線組成的，它可以實(shí)現(xiàn)高精度的高計(jì)數(shù)率，"研究小組成員、博士后學(xué)者Ioana Craiciu說。"該探測器的設(shè)計(jì)考慮到了量子通信，因?yàn)檫@是一個一直受限于現(xiàn)有探測器性能的技術(shù)領(lǐng)域。"  研究小組負(fù)責(zé)人Matthew Shaw檢查了安裝在低溫箱內(nèi)的PEACOQ探測器，以便進(jìn)行測試。 該探測器是作為美國宇航局項(xiàng)目的一部分而開發(fā)的，該項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)空間到地面的量子通信新技術(shù)，從而在未來實(shí)現(xiàn)跨洲際距離的量子信息共享。這項(xiàng)工作建立在為美國宇航局深空光通信項(xiàng)目開發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)上，該項(xiàng)目將首次展示來自行星際空間的自由空間光通信。 Craiciu說："目前還沒有另一個探測器能夠以同樣的時間分辨率如此快速地計(jì)算單光子。我們知道這個探測器將對量子通信有用，但我們也希望它能實(shí)現(xiàn)我們尚未考慮的其他應(yīng)用。" 更快的量子通信 加快量子通信傳輸速率需要在接收端有一個探測器，它可以進(jìn)行快速測量，并表現(xiàn)出較短的死機(jī)時間，這樣它就可以與到達(dá)的高速率光子抗衡。探測器還必須精確測量光子的到達(dá)時間。 Craiciu說："盡管有一些探測器可以高精度地測量光子的到達(dá)時間，但當(dāng)光子快速連續(xù)到達(dá)時，它們很難跟上，可能會錯過一些光子，或者把它們的到達(dá)時間弄錯，我們設(shè)計(jì)的PEACOQ探測器可以精確測量單個光子的到達(dá)時間，即使它們正以很高的速度撞擊探測器。它也是高效的，它不會錯過許多光子。" PEACOQ探測器是由厚度僅為7.5納米的納米線制成的，或比人的頭發(fā)薄約1萬倍。在非常冷的溫度下操作它--大約1開爾文，或-458°F--使納米線變得超導(dǎo)，這意味著它們沒有電阻。在超導(dǎo)條件下，任何擊中一根導(dǎo)線的光子都有很大機(jī)會被該導(dǎo)線吸收。任何被吸收的光子都會產(chǎn)生一個熱點(diǎn)，以一種可檢測的方式增加電線的電阻。一臺計(jì)算機(jī)和一個時數(shù)轉(zhuǎn)換器被用來記錄電阻變化的時間，從而記錄一個光子到達(dá)探測器的時間。 當(dāng)探測器測量一個光子時，它輸出一個電脈沖，而時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器非常精確地測量這個電脈沖的到達(dá)時間，其分辨率低于100皮秒，或比彈指一揮間快7000萬倍。新開發(fā)的一種新的時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以用這種時間分辨率同時測量多達(dá)128個通道，這很重要，因?yàn)樘綔y器需要32個通道。 為了展示新的探測器，研究人員通過將其安裝在一個低溫箱中將其冷卻到1開爾文。他們使用了一個定制的測試裝置，將光送入低溫箱到檢測器，并使用一連串的電子裝置將檢測器的輸出信號從低溫箱中傳輸出來，將其放大并記錄。由于有32根納米線，研究人員不得不使用32套每個組件，包括32根電纜和32個每種類型的放大器。 前所未有的計(jì)數(shù)能力 "我們對檢測器的工作情況非常滿意，"Craiciu說。"它能夠測量光子的速率是我們所見過的最高的。它需要一個復(fù)雜的設(shè)置，因?yàn)?2個納米線中的每一個都要單獨(dú)讀出，但對于你真正需要以高速度和高精度測量光子的應(yīng)用來說，它是值得麻煩的。" 通常情況下，正在傳輸?shù)牧孔有畔⒈辉O(shè)置為一個時鐘，每條信息被編碼為一個光子，并在一個刻度上發(fā)送。能多精確地測量光子到達(dá)接收器的時間，決定了抵達(dá)距離能有多近而不出錯，因此它決定了能多快地發(fā)送信息。新的檢測器使得以最先進(jìn)的10GHz的時鐘頻率進(jìn)行量子通信變得切實(shí)可行。 研究人員仍在努力對PEACOQ探測器進(jìn)行改進(jìn)，目前該探測器的效率約為80%——這意味著有20%的光子撞上探測器后沒有被測量。他們還計(jì)劃建造一個可用于量子通信實(shí)驗(yàn)的便攜式接收器裝置。它將包含幾個PEACOQ探測器以及光學(xué)器件、讀出電子器件和一個低溫恒溫器。 相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2023-01-detector-enable-high-speed-quantum-communication.html |
