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。