当前位置: 首页 » 行业聚焦 » 科技前沿 » 正文

这项技术,让中国在太空量子通信领域明显领先

巧妙地躲过背景噪声的干扰


  来源: 麻省理工科技评论 时间:2019-12-10 编辑:马致远
分享到:



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。

关键词:量子通信 光子探测器    浏览量:463

声明:凡本网注明"来源:仪商网"的所有作品,版权均属于仪商网,未经本网授权不得转载、摘编使用。
经本网授权使用,并注明"来源:仪商网"。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。
本网转载并注明自其它来源的作品,归原版权所有人所有。目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如有作品的内容、版权以及其它问题的,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。
本网转载自其它媒体或授权刊载,如有作品内容、版权以及其它问题的,请联系我们。相关合作、投稿、转载授权等事宜,请联系本网。
QQ:2268148259、3050252122。


让制造业不缺测试测量工程师

关注仪商网公众号

0条 [查看全部]  发表评论

最新发布
行业动态
行业聚焦
国际资讯
仪商专题
按分类浏览
Copyright © 2006- 861718.com All rights reserved 版权所有 © 星球国际资讯集团 广州德禄讯信息科技有限公司
本站转载或引用文章涉及版权问题请与我们联系。电话:020-34224268 传真: 020-34113782