這項技術，讓中國在太空量子通信領域明顯領先
席位有限，先到先得
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中國的量子通信衛星「墨子號」已經取得了一系列令人印象深刻的突破，這要歸功於強大的光子探測器能夠克服背景雜訊。
單光子的新興用途之一是將量子信息打包並發送到另一個位置。這項被稱為量子通信的技術利用了物理定律來確保信息不會被任何竊聽者讀取。
該技術面臨的一項挑戰是如何將量子信息傳送到世界各地。這是一個難以解決的問題，因為攜帶量子信息的光量子非常脆弱，任何光子與其環境之間的任何相互作用都會破壞它。在不破壞光子攜帶的量子信息的情況下，目前地面傳輸的極限為 142 公里，通過光纖實現量子密鑰分發的極限為 421 公里——距離越遠，光量子傳輸效率越低。
為此，中國物理學家想出了一種解決方法：將光子發射到軌道衛星上，衛星再將其中繼到地球表面的另一個位置。這樣一來，便可將光子在大氣中傳輸的路程最小化。如果光子是從高海拔的地面站發射的，則它們的行程主要是通過空曠的真空。
但有個問題，量子通信需要能夠識別和測量單個光子的探測器。近年來，物理學家已經設計和製造出了越來越靈敏的設備，可以完成這一任務。
但是，設備的敏感性使它們很容易受到所有類型的背景雜訊的影響，這些背景雜訊可能會使來自光子本身的信號不堪重負。在太空中，單光子探測器的雜訊主要來自兩部分：器件本身的缺陷和在外太空中遭受重離子質子轟擊的雜訊，以及外來雜訊如雜散光子、各種重離子、質子引起的響應等。
構建可在這種環境下運行的單光子探測器是一項重大挑戰。也就難怪，物理學家們為這一難題已經絞盡腦汁很長一段時間了。
現在，來自位於合肥的中國科技大學的彭承志和他的同事們說，他們已經解決了這個問題。過去兩年中，他們甚至已經在軌道衛星上測試了探測器，並表示它運轉良好。
圖 | 1 號和 2 號單光子探測器在最初 262 天的暗計數率，紅色和黑色為觀測數據，綠色為輻射引發的暗計數率，藍色為月光引發的暗計數率（來源：論文）
該小組的探測器利用了一種稱為雪崩擊穿的現象，這種現象在特殊情況下會在半導體晶元中發生。諸如硅之類的半導體以自由電子和空穴的形式傳導電流，自由電子和空穴可以在電場的影響下穿過材料晶格。
在正常情況下，這些電荷載流子被束縛在晶格上，因此不能移動。此時，材料是絕緣體。
但是，如果電子被釋放出來（可能是由於熱波動或入射光子的撞擊而被釋放），它就可以穿過結構，從而產生電流。在這種情況下，該材料成為導體。
當然，以這種方式釋放的單個電子會產生難以檢測的微小電流。因此，雪崩擊穿的竅門是建立一個電壓，該電壓可迅速將自由電子加速到足夠高的速度，以使其他導電電子被自由擊落。這會產生連鎖反應，也就是雪崩，從而產生更大、更容易檢測到的電流。
近年來，物理學家已經將這些設備改進得如此敏感，以至於特定波長的單個光子就能觸發這種雪崩。如此一來，一台單光子檢測器能夠發現擊中它的大多數光子。
但是，獲得這種敏感性需要付出代價。太空中的高能粒子轟擊器件晶體，使內部出現缺陷導致本體暗技術增加，以至於可能淹沒了物理學家希望測量的光子信號。
因此，彭承志和其同事的任務是尋找方法來保護和提高商業上現成的單光子探測器的性能，使之可以在太空中運行。
他們的第一個解決方案很簡單，即在探測器周圍設置屏蔽層，阻擋高能粒子。這是一種微妙的平衡做法，因為屏蔽層很重，因此進入軌道的成本很高。屏蔽層和高能粒子之間的相互作用還可能產生次級粒子陣雨，使暗度計數變得更糟。
彭承志和其同事最終決定安裝一個雙層的屏蔽層。外層是 12 毫米的鋁片，內層是 4 毫米的密度更大、重量更重的鉭片。由此產生的屏蔽將輻射劑量降低了 2.5 倍。
該屏蔽層還可以用作絕熱體，將雪崩光二極體的溫度控制在-50°C，通過降低器件本體溫度，能抑制太空高能粒子轟擊產生的缺陷的雜訊表達。
圖 | 星載低雜訊 Si-APD 單光子探測器的保護與安裝（來源：論文 ）
最後，該團隊使用了被動淬火電路，結合高壓偏置調節、溫度調節等，可以靈活地找到最優信噪比的工作點。
所有這些方法的效果都很顯著。對於無保護的單光子探測器，預期的暗計數速率超過每秒 200 個計數，並會每天不斷積累，從而淹沒真正要測量的暗計數。
但是，改進後的探測器的暗計數率僅為每秒 0.54 個計數，使得積累的增量降低了兩個數量級。
圖 | 單光子探測器（SCD）示意圖，其中 ADC 為模/數轉換器，DAC 為數/模轉換器，COMP 為比較器，DDF 為 D 觸發器，PWM 為脈衝寬度調製器，TEC 為半導體製冷器，HV 表示高電壓。ADC、DAC 和 PWM 都連接到現場可編程門陣列（FPGA）（來源：論文）
2016 年，彭承志和其同事在中國「墨子號」衛星上發射了探測器，這是一種量子技術演示，取得了一系列令人印象深刻的突破。例如，探測器是 2017 年將量子態的信息從地球傳送到衛星的關鍵組件。衛星還啟用了各大洲之間的第一個量子加密視頻通話。
這些實驗為新一代天基量子通信奠定了基礎。「我們的單光子探測器為深空光通信中的空間研究和應用、單光子激光測距以及空間物理學的基本原理測試創造了新的機會。」彭承志和其同事說。
同時，其他國家的量子物理學界對此都羨慕不已，中國在天基量子通信領域擁有明顯的領先地位。
歐洲正在研究一種稱為「安全和加密任務」（SAGA）的軌道量子技術演示器。這是在整個非洲大陸建立量子通信網路的宏大計劃的一部分。但是，尚未公布啟動日期。
相比之下，美國的計劃卻停滯了。2012 年，軍事技術研究機構 DARPA 啟動了一個名為 Quiness 的項目，以測試太空中的量子通信技術。但是該項目以及整個領域嚴重缺乏資金。
現在關鍵問題是，世界其他地區計劃如何迎頭趕上。
-End-
編輯：牛耕
參考：
https://www.technologyreview.com/s/614657/how-china-built-a-single-photon-detector-that-works-in-space/
https://arxiv.org/abs/1910.08161
