九州量子單光子探測器門控頻率達(dá)到GHz以上
發(fā)布時(shí)間：2017-12-21
QKD設(shè)備是量子保密通信的核心器件之一，主要用于量子密鑰的產(chǎn)生和分發(fā)。而在QKD設(shè)備中，單光子探測器當(dāng)屬最為重要的器件之一。
單光子探測器位于QKD系統(tǒng)的接收端，對微弱的單光子量級的光信號探測，而后通過數(shù)據(jù)后處理實(shí)現(xiàn)兩端的安全秘鑰分發(fā)。
加速率、低噪聲、小型化
近日，九州量子北京研發(fā)中心研究員、中國科技大學(xué)博士祁賓祥接受采訪時(shí)表示：通過對紅外單光子APD探測器的高速控制電路進(jìn)行優(yōu)化升級，九州量子已突破研制出了加速率、低噪聲、小型化的單光子探測器，這對量子通信產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展具有重大意義。
單光子探測器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測到光的最小能量量子——單光子。由于可以對單個(gè)光子進(jìn)行探測和計(jì)數(shù)，在許多可獲得的信號強(qiáng)度僅為幾個(gè)光子能量級的新興應(yīng)用中得到許多可施展的機(jī)會(huì)。
據(jù)祁賓祥博士介紹，單光子探測器在量子通信應(yīng)用中有幾個(gè)非常重要的參數(shù)：探測效率、暗計(jì)數(shù)率以及后脈沖，它們會(huì)直接制約量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)的傳輸距離和成碼率等關(guān)鍵性能。探測速率指光子進(jìn)出探測器的過程中，雪崩光電二極管對光子進(jìn)行探測，量子探測效率越高，系統(tǒng)性能就越好。而暗計(jì)數(shù)率，它也可以稱為本底噪聲或者感應(yīng)噪聲，是指在沒有信號時(shí)的計(jì)數(shù)率，暗計(jì)數(shù)率會(huì)影響到誤碼率，所以暗計(jì)數(shù)率越低系統(tǒng)的有效成碼率越高。此外后脈沖概率也是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。探測效率與暗計(jì)數(shù)率成正比，探測效率越高，暗計(jì)數(shù)率也會(huì)越高。為了達(dá)到理想的平衡狀態(tài)，一是要對內(nèi)部的雪崩光電二極管做好溫度控制，二是要做好高速門控。
但若想要優(yōu)化這兩個(gè)指標(biāo)，祁賓祥博士表示：必須對探測器的整體電路進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。九州量子目前在門控的設(shè)計(jì)，低噪聲電路和微弱信號放大等上做了諸多嘗試。在實(shí)驗(yàn)了無數(shù)次后，使整體探測器取得了當(dāng)前商用紅外單光子探測器的最優(yōu)性能。
優(yōu)化性能，探測門控達(dá)到GHz以上
目前，通過對高速數(shù)字電路的深入設(shè)計(jì)優(yōu)化，九州量子采用自反饋技術(shù)，并對高速電路進(jìn)行優(yōu)化，使得目前的飽和計(jì)數(shù)率達(dá)到40MHz。這個(gè)數(shù)字的概念意味著，通常完成一個(gè)計(jì)數(shù)需要的30-40納秒，九州量子將其縮減到10納秒。
在噪聲控制方面，由于單光子探測器是一種超靈敏檢測器件，除了對光非常敏感外，對周圍的噪聲也表現(xiàn)得敏感異常，而當(dāng)噪聲變大，光的提取就會(huì)受到極度影響。九州量子采用的是正弦門控技術(shù)來避免高頻噪聲的出現(xiàn)，并在在板級電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用分布式電源設(shè)計(jì)，最終達(dá)到降噪效果。
目前，九州量子做出的單光子探測器門控頻率達(dá)到GHz以上，并且可以在一定范圍內(nèi)變化。除了對紅外的單光子探測器性能進(jìn)行優(yōu)化，九州量子還研制出了不同的探測器，以便未來適用于不同的應(yīng)用場景。
據(jù)了解，九州量子目前已提交申請專利67項(xiàng)，已經(jīng)授權(quán)的有3項(xiàng)，其中單光子探測器的相關(guān)突破也正在申請專利中。
本文轉(zhuǎn)載自中國青年網(wǎng)
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