自從升天運行以來，中國的量子通信衛(wèi)星“墨子號”取得了一系列令人印象深刻的突破，這要歸功于強大的光子探測器能夠克服背景噪聲。

單光子的新興用途之一是將量子信息打包并發(fā)送到另一個位置。這項被稱為量子通信的技術(shù)利用了物理定律確保信息不會被任何竊聽者讀取。

該技術(shù)面臨的一項挑戰(zhàn)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(huán)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?zhèn)鬏數(shù)臉O限為142公里，通過光纖實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)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(fā)射到軌道衛(wèi)星上，衛(wèi)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?shù)穆烦套钚』Ｈ绻庾邮菑母吆０蔚牡孛嬲景l(fā)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(jīng)設(shè)計和制造出了越來越靈敏的設(shè)備，以完成這一任務。

但是，設(shè)備的敏感性使它們很容易受到所有類型的背景噪聲的影響，這些背景噪聲可能會使來自光子本身的信號不堪重負。在太空中，單光子探測器的噪聲主要來自兩部分：器件本身的缺陷和在外太空中遭受重離子質(zhì)子轟擊的噪聲，以及外來噪聲如雜散光子、各種重離子、質(zhì)子引起的響應等。

構(gòu)建可在這種環(huán)境下運行的單光子探測器是一項重大挑戰(zhàn)。也就難怪，物理學家們?yōu)檫@一難題絞盡腦汁很長一段時間。

現(xiàn)在，來自位于合肥的中國科技大學的彭承志和他的同事們說，他們已經(jīng)解決了這個問題。過去兩年中，他們甚至已經(jīng)在軌道衛(wèi)星上測試了探測器，并表示它運轉(zhuǎn)良好。

圖| 1號和2號單光子探測器在最初262天的暗計數(shù)率，紅色和黑色為觀測數(shù)據(jù)，綠色為輻射引發(fā)的暗計數(shù)率，藍色為月光引發(fā)的暗計數(shù)率

該小組的探測器利用了一種稱為雪崩擊穿的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在特殊情況下會在半導體芯片中發(fā)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（可能是由于熱波動或入射光子的撞擊而被釋放），它就可以穿過結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生連鎖反應，也就是雪崩，從而產(chǎn)生更大、更容易檢測到的電流。

近年來，物理學家已經(jīng)將這些設(shè)備改進得如此敏感，以至于特定波長的單個光子就能觸發(fā)這種雪崩。如此一來，一臺單光子檢測器能夠發(fā)現(xiàn)擊中它的大多數(shù)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(nèi)部出現(xiàn)缺陷導致本體暗技術(shù)增加，以至于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(yè)上現(xiàn)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(shè)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(chǎn)生次級粒子陣雨，使暗度計數(shù)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(nèi)層是4毫米的密度更大、重量更重的鉭片。由此產(chǎn)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，將雪崩光二極管的溫度控制在-50°C，通過降低器件本體溫度，能抑制太空高能粒子轟擊產(chǎn)生的缺陷的噪聲表達。

圖| 星載低噪聲Si-APD單光子探測器的保護與安裝

最后，該團隊使用了被動淬火電路，結(jié)合高壓偏置調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)等，可以靈活地找到最優(yōu)信噪比的工作點。

所有這些方法的效果都很顯著。對于無保護的單光子探測器，預期的暗計數(shù)速率超過每秒200個計數(shù)，并會每天不斷積累，從而淹沒真正要測量的暗計數(shù)。

但是，改進后的探測器的暗計數(shù)率僅為每秒0.54個計數(shù)，使得積累的增量降低了兩個數(shù)量級。

圖| 單光子探測器（SCD）示意圖，其中ADC為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，DAC為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，COMP為比較器，DDF為D觸發(fā)器，PWM為脈沖寬度調(diào)制器，TEC為半導體制冷器，HV表示高電壓。ADC、DAC和PWM都連接到現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）

2016年，彭承志和其同事在中國“墨子號”衛(wèi)星上發(fā)射了探測器，這是一種量子技術(shù)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(tài)的信息從地球傳送到衛(wèi)星的關(guān)鍵組件。衛(wèi)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(chǔ)?！拔覀兊膯喂庾犹綔y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(chuàng)造了新的機會?！迸沓兄竞推渫抡f。

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(lǐng)域擁有明顯的領(lǐng)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(shù)演示器。這是在整個非洲大陸建立量子通信網(wǎng)絡(luò)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(shù)研究機構(gòu)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(shù)。但是該項目以及整個領(lǐng)域嚴重缺乏資金。