研究人员开发了一种新的探测器，可以以非常高的速率精确测量单个光子。新设备可以帮助实现高速量子通信。

量子通信使用单光子级的光来发送编码的量子信息，例如量子密钥分发中的加密密钥。由于物理定律，以这种方式传输的数据可以保证安全。以更快的速度发送信息需要一个单光子探测器，它不仅可以快速探测光子，还可以精确测量它们的到达时间。

在Optica上发表的一篇文章中，由美国宇航局喷气推进实验室的MatthewD.Shaw领导的研究人员描述并演示了他们用于测量光子到达时间的新型探测器，他们将其称为PEACOQ(用于计算光量子的性能增强阵列)探测器。

“我们的新探测器由硅芯片上的32根氮化铌超导纳米线制成，可实现高计数率和高精度，”研究团队成员、博士后学者IoanaCraiciu说。“该探测器在设计时就考虑到了量子通信，因为这是一个受到可用探测器性能限制的技术领域。”

该探测器是作为NASA计划的一部分开发的，该计划旨在实现空对地量子通信的新技术，该技术可以在未来实现跨越洲际距离的量子信息共享。这项工作建立在为NASA深空光通信项目开发的技术之上，该项目将首次展示来自行星际空间的自由空间光通信。

Craiciu说：“目前还没有其他探测器能够以相同的时间分辨率如此快速地对单个光子进行计数。”“我们知道这种探测器将对量子通信有用，但我们也希望它能够实现我们尚未考虑的其他应用。”

更快的量子通信

加快量子通信传输速率需要接收端的检测器能够进行快速测量并表现出较短的死时间，以便它能够应对高光子到达率。探测器还必须精确测量光子的到达时间。

“虽然有些探测器可以高精度地测量光子到达时间，但当光子快速连续到达时，它们很难跟上，并且可能会错过一些光子或弄错它们的到达时间，”Craiciu说。“我们设计的PEACOQ探测器可以精确测量单个光子的到达时间，即使它们以高速率撞击探测器也是如此。它也很高效——它不会错过很多光子。”

PEACOQ探测器由厚度仅为7.5纳米的纳米线制成，比人类头发丝细约10,000倍。在非常低的温度(大约1开尔文或-458°F)下运行它会使纳米线具有超导性，这意味着它们没有电阻。在超导条件下，任何撞击电线的光子都有很好的机会被电线吸收。任何被吸收的光子都会产生热点，从而以可检测的方式增加电线的电阻。计算机连同时间数字转换器用于记录电阻何时发生变化，从而记录光子何时到达检测器。

“当探测器测量到一个光子时，它会输出一个电脉冲，时间数字转换器非常精确地测量这个电脉冲的到达时间，分辨率低于100皮秒，比打响指快7000万倍”克雷丘说。“我们开发了一种新的时间数字转换器，可以使用这种时间分辨率同时测量多达128个通道，这很重要，因为我们的检测器需要32个通道。”

为了演示新探测器，研究人员将其安装在低温恒温器中，将其冷却至1开尔文。他们使用定制的测试装置将光发送到低温恒温器到检测器，并使用一系列电子设备将检测器的输出信号从低温恒温器传输出去，将其放大并记录下来。因为有32根纳米线，研究人员不得不使用32组每个组件，包括32根电缆和每种放大器32个。

前所未有的计数率

“我们对探测器的工作情况非常满意，”Craiciu说。“它测量光子的速率是我们所见过的最高的。它需要一个复杂的设置，因为32根纳米线中的每一条都是单独读出的，但对于你真正需要以高精度高精度测量光子的应用，麻烦是值得的。”

通常，传输的量子信息被设置为一个时钟，每条信息被编码成一个光子并在一个滴答声中发送。你能多精确地测量光子到达接收器的时间决定了滴答声可以有多近而不会出错，因此它决定了你发送信息的速度。新检测器使得以10GHz的最先进时钟频率执行量子通信变得切实可行。

研究人员仍在努力改进PEACOQ探测器，该探测器目前的效率约为80%——这意味着撞击探测器的光子中有20%未被测量。他们还计划建造一个可用于量子通信实验的便携式接收器单元。它将包含多个PEACOQ检测器以及光学器件、电子读出器和低温恒温器。