自從升天運(yùn)行以來(lái)，中國(guó)的量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”取得了一系列令人印象深刻的突破，這要?dú)w功于強(qiáng)大的光子探測(cè)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(gè)位置。這項(xiàng)被稱(chēng)為量子通信的技術(shù)利用了物理定律確保信息不會(huì)被任何竊聽(tīng)者讀取。

該技術(shù)面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是如何將量子信息傳送到世界各地。這是一個(gè)難以解決的問(wèn)題，因?yàn)閿y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(huì)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(guò)光纖實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的極限為421公里——距離越遠(yuǎn)，光量子傳輸效率越低。

為此，中國(guó)物理學(xué)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(gè)位置。這樣一來(lái)，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(guò)空曠的真空。

但有個(gè)問(wèn)題，量子通信需要能夠識(shí)別和測(cè)量單個(gè)光子的探測(cè)器。近年來(lái)，物理學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造出了越來(lái)越靈敏的設(shè)備，以完成這一任務(wù)。

但是，設(shè)備的敏感性使它們很容易受到所有類(lèi)型的背景噪聲的影響，這些背景噪聲可能會(huì)使來(lái)自光子本身的信號(hào)不堪重負(fù)。在太空中，單光子探測(cè)器的噪聲主要來(lái)自?xún)刹糠郑浩骷旧淼娜毕莺驮谕馓罩性馐苤仉x子質(zhì)子轟擊的噪聲，以及外來(lái)噪聲如雜散光子、各種重離子、質(zhì)子引起的響應(yīng)等。

構(gòu)建可在這種環(huán)境下運(yùn)行的單光子探測(cè)器是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。也就難怪，物理學(xué)家們?yōu)檫@一難題絞盡腦汁很長(zhǎng)一段時(shí)間。

現(xiàn)在，來(lái)自位于合肥的中國(guó)科技大學(xué)的彭承志和他的同事們說(shuō)，他們已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。過(guò)去兩年中，他們甚至已經(jīng)在軌道衛(wèi)星上測(cè)試了探測(cè)器，并表示它運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

圖| 1號(hào)和2號(hào)單光子探測(cè)器在最初262天的暗計(jì)數(shù)率，紅色和黑色為觀測(cè)數(shù)據(jù)，綠色為輻射引發(fā)的暗計(jì)數(shù)率，藍(lán)色為月光引發(fā)的暗計(jì)數(shù)率

該小組的探測(cè)器利用了一種稱(chēng)為雪崩擊穿的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在特殊情況下會(huì)在半導(dǎo)體芯片中發(fā)生。諸如硅之類(lèi)的半導(dǎo)體以自由電子和空穴的形式傳導(dǎo)電流，自由電子和空穴可以在電場(chǎng)的影響下穿過(guò)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(dòng)。此時(shí)，材料是絕緣體。

但是，如果電子被釋放出來(lái)（可能是由于熱波動(dòng)或入射光子的撞擊而被釋放），它就可以穿過(guò)結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生電流。在這種情況下，該材料成為導(dǎo)體。

當(dāng)然，以這種方式釋放的單個(gè)電子會(huì)產(chǎn)生難以檢測(cè)的微小電流。因此，雪崩擊穿的竅門(mén)是建立一個(gè)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(dǎo)電電子被自由擊落。這會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，也就是雪崩，從而產(chǎn)生更大、更容易檢測(cè)到的電流。

近年來(lái)，物理學(xué)家已經(jīng)將這些設(shè)備改進(jìn)得如此敏感，以至于特定波長(zhǎng)的單個(gè)光子就能觸發(fā)這種雪崩。如此一來(lái)，一臺(tái)單光子檢測(cè)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(jià)。太空中的高能粒子轟擊器件晶體，使內(nèi)部出現(xiàn)缺陷導(dǎo)致本體暗技術(shù)增加，以至于可能淹沒(méi)了物理學(xué)家希望測(cè)量的光子信號(hào)。

因此，彭承志和其同事的任務(wù)是尋找方法來(lái)保護(hù)和提高商業(yè)上現(xiàn)成的單光子探測(cè)器的性能，使之可以在太空中運(yùn)行。