自从升天运行以来，中国的量子通信卫星“墨子号”取得了一系列令人印象深刻的突破，这要归功于强大的光子探测器能够克服背景噪声。

单光子的新兴用途之一是将量子信息打包并发送到另一个位置。这项被称为量子通信的技术利用了物理定律确保信息不会被任何窃听者读取。

该技术面临的一项挑战是如何将量子信息传送到世界各地。这是一个难以解决的问题，因为携带量子信息的光量子非常脆弱，任何光子与其环境之间的任何相互作用都会破坏它。在不破坏光子携带的量子信息的情况下，目前地面传输的极限为142公里，通过光纤实现量子密钥分发的极限为421公里——距离越远，光量子传输效率越低。

为此，中国物理学家想出了一种解决方法：将光子发射到轨道卫星上，卫星再将其中继到地球表面的另一个位置。这样一来，便可将光子在大气中传输的路程最小化。如果光子是从高海拔的地面站发射的，则它们的行程主要是通过空旷的真空。

但有个问题，量子通信需要能够识别和测量单个光子的探测器。近年来，物理学家已经设计和制造出了越来越灵敏的设备，以完成这一任务。

但是，设备的敏感性使它们很容易受到所有类型的背景噪声的影响，这些背景噪声可能会使来自光子本身的信号不堪重负。在太空中，单光子探测器的噪声主要来自两部分：器件本身的缺陷和在外太空中遭受重离子质子轰击的噪声，以及外来噪声如杂散光子、各种重离子、质子引起的响应等。

构建可在这种环境下运行的单光子探测器是一项重大挑战。也就难怪，物理学家们为这一难题绞尽脑汁很长一段时间。

现在，来自位于合肥的中国科技大学的彭承志和他的同事们说，他们已经解决了这个问题。过去两年中，他们甚至已经在轨道卫星上测试了探测器，并表示它运转良好。

图| 1号和2号单光子探测器在最初262天的暗计数率，红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

该小组的探测器利用了一种称为雪崩击穿的现象，这种现象在特殊情况下会在半导体芯片中发生。诸如硅之类的半导体以自由电子和空穴的形式传导电流，自由电子和空穴可以在电场的影响下穿过材料晶格。

在正常情况下，这些电荷载流子被束缚在晶格上，因此不能移动。此时，材料是绝缘体。

但是，如果电子被释放出来（可能是由于热波动或入射光子的撞击而被释放），它就可以穿过结构，从而产生电流。在这种情况下，该材料成为导体。

当然，以这种方式释放的单个电子会产生难以检测的微小电流。因此，雪崩击穿的窍门是建立一个电压，该电压可迅速将自由电子加速到足够高的速度，以使其他导电电子被自由击落。这会产生连锁反应，也就是雪崩，从而产生更大、更容易检测到的电流。

近年来，物理学家已经将这些设备改进得如此敏感，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。

但是，获得这种敏感性需要付出代价。太空中的高能粒子轰击器件晶体，使内部出现缺陷导致本体暗技术增加，以至于可能淹没了物理学家希望测量的光子信号。

因此，彭承志和其同事的任务是寻找方法来保护和提高商业上现成的单光子探测器的性能，使之可以在太空中运行。

他们的第一个解决方案很简单，即在探测器周围设置屏蔽层，阻挡高能粒子。这是一种微妙的平衡做法，因为屏蔽层很重，因此进入轨道的成本很高。屏蔽层和高能粒子之间的相互作用还可能产生次级粒子阵雨，使暗度计数变得更糟。

彭承志和其同事最终决定安装一个双层的屏蔽层。外层是12毫米的铝片，内层是4毫米的密度更大、重量更重的钽片。由此产生的屏蔽将辐射剂量降低了2.5倍。

该屏蔽层还可以用作绝热体，将雪崩光二极管的温度控制在-50°C，通过降低器件本体温度，能抑制太空高能粒子轰击产生的缺陷的噪声表达。

图| 星载低噪声Si-APD单光子探测器的保护与安装

最后，该团队使用了被动淬火电路，结合高压偏置调节、温度调节等，可以灵活地找到最优信噪比的工作点。

所有这些方法的效果都很显著。对于无保护的单光子探测器，预期的暗计数速率超过每秒200个计数，并会每天不断积累，从而淹没真正要测量的暗计数。

但是，改进后的探测器的暗计数率仅为每秒0.54个计数，使得积累的增量降低了两个数量级。

图| 单光子探测器（SCD）示意图，其中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表示高电压。ADC、DAC和PWM都连接到现场可编程门阵列（FPGA）

2016年，彭承志和其同事在中国“墨子号”卫星上发射了探测器，这是一种量子技术演示，取得了一系列令人印象深刻的突破。例如，探测器是2017年将量子态的信息从地球传送到卫星的关键组件。卫星还启用了各大洲之间的第一个量子加密视频通话。

这些实验为新一代天基量子通信奠定了基础。“我们的单光子探测器为深空光通信中的空间研究和应用、单光子激光测距以及空间物理学的基本原理测试创造了新的机会。”彭承志和其同事说。

同时，其他国家的量子物理学界对此都羡慕不已，中国在天基量子通信领域拥有明显的领先地位。

欧洲正在研究一种称为“安全和加密任务”（SAGA）的轨道量子技术演示器。这是在整个非洲大陆建立量子通信网络的宏大计划的一部分。但是，尚未公布启动日期。

相比之下，美国的计划却停滞了。2012年，军事技术研究机构DARPA启动了一个名为Quiness的项目，以测试太空中的量子通信技术。但是该项目以及整个领域严重缺乏资金。

关键词:量子通信 光子探测器

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来 源：麻省理工科技评论

编辑：马致远

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