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超导单光子探测器为高速量子通信带来新突破 | 量子科话

风云之声 2023-04-06

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3月9日和13日,由瑞士和中国分别完成的高速量子通信成果先后在线发表在《自然·光子学》(Nature Photonics)杂志上[1][2]。两项工作的共同特点是都利用了高速的多像素超导条带光子探测器(学术界通常称其为超导纳米线单光子探测器,SNSPD)。而在此前的1月26日,美国喷气推进实验室(JPL)报道了高精度高计数率的多像素新型超导纳米线单光子探测器,发表在《光学》(Optica)杂志上[3]这些进展表明,超导单光子探测器正在为高速量子通信带来新的突破。

瑞士日内瓦大学Hugo Zbinden团队与ID Quantique公司合作,将14根超导纳米线并行,形成光敏面约15微米的SNSPD,该探测器速度比单线条SNSPD计数率快了20倍。利用该高速SNSPD,团队在10公里的光纤上实现了64 Mbps(bits per second,每秒比特率)的实时量子密钥成码率。

日内瓦大学多像素SNSPD图片

中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所尤立星等合作,利用8根并行纳米线形成的光敏面约15微米的SNSPD,实现了每秒输入5.5亿个光子的情况下仍能保持62%的探测效率。在此基础上,研究团队在10公里的光纤上实现了115.8  Mbps的实时量子密钥成码率。近期的实验进展相比此前国际上报道的同等距离下最高实时成码率(10 Mbps)有了大幅提升,对未来量子通信的规模化实际应用具有重要意义。

量子通信的距离和速率长期受到单光子探测器性能的限制。SNSPD具有高探测效率、低暗计数、低时间抖动和高速等优点,已经在量子通信实验中创造了多项性能纪录。然而,量子通信的发展也对SNSPD的性能逐渐提出了更高的要求,更高的光子响应速度就是重要的需求之一。SNSPD的工作机理是单光子触发的超导纳米线的超导态到有阻态的相变,其理论速度极限由热弛豫时间决定,最高可以达到数十GHz,但是其纳米线结构决定了SNSPD具有较大的动态电感。因此,现实应用中SNSPD速度一般由其动态电感决定,典型SNSPD光子响应速度在10 Mcps(counts per second,每秒计数率)左右。

随着SNSPD光敏面的增大,器件的速度也会越来越慢,为了解决速度的问题,最常见的做法就是构造多像素阵列结构,在相同光敏面积内,用多根纳米线代替单根纳米线,从而使得SNSPD的电感大幅减小,理论速度提升最高可达N2倍(N为纳米线根数)。利用阵列结构提升器件速度早有先例,最具代表性的成果是2013年美国NASA将阵列SNSPD器件作为LLCD计划的深空激光通信地面接收终端探测器,实现了绕月卫星到地面速度超过600 Mbps的直接激光通信[4]

对于面向量子通信使用的小光敏面高速器件,最有效的方式是并行型的纳米线结构。该结构的典型特点是,无论入射光场呈现何种统计分布,都尽可能的保证每根纳米线接收到的光子数基本一致,从而确保高速率的实现。2019年,上海微系统所报道了16像素最高速度达到1.5 Gcps的SNSPD[5]创造了当时SNSPD最高速度的记录。同时,上海微系统所在SNSPD探测效率方面也保持着98%的世界最高水平。该SNSPD根据应用需要,通过进一步增加线的数量,其速度还可以进一步提升;同时通过超导材料优化和物性调控,也可以降低器件的动态电感,从而实现速度的进一步提升。2023年,美国喷气推进实验室报道了硅芯片上32根氮化铌超导纳米线探测器,可实现高精度的高计数率,最高速度达到5.3 Gcps。

上海微系统所研发的8像素并行SNSPD SEM图片

SNSPD的各项性能指标都还有一定的提升空间,重要的如何和应用结合起来,发展满足应用需求的高性能SNSPD。未来,高性能SNSPD还会给量子通信的持续发展源源不断的提供动力支持。

相关论文:[1]https://www.nature.com/articles/s41566-023-01168-2[2]https://www.nature.com/articles/s41566-023-01166-4[3]https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-10-2-183&id=525546[4]D. V. Murphy, et al (2014). LLCD operations using the Lunar Lasercom Ground Terminal. Proc. SPIE 8971, Free-Space Laser Communication and Atmospheric Propagation XXVI[5]W. Zhang et al IEEE Transactions on Applied Superconductivity 29(5): 2200204. (2019)

本文2023年3月25日发表于微信公众号  量子科话

超导单光子探测器为高速量子通信带来新突破

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