中国在太空量子通信领域明显领先于全世界

中国的量子通信卫星墨子凭借强大的光子探测器克服了背景噪声，取得了一系列令人印象深刻的突破。

单光子的一个新兴用途是将量子信息打包并发送到另一个位置。这项技术被称为量子通信，它利用物理定律确保信息不会被任何窃听者读取。

这项技术面临的挑战之一是如何将量子信息传输到世界各地。这是一个很难解决的问题，因为量子信息载体是非常脆弱的，任何光子与其周围环境的相互作用都会破坏它。在不破坏光子携带的量子信息的情况下，地面传输的电流极限为142公里，通过光纤的量子密钥分配极限为421公里——距离越远，量子量子传输效率越低。

为此，中国物理学家提出了一个解决方案：将光子发送到轨道卫星上，然后由轨道卫星将其中继到地球表面的另一个位置。这样，光子在大气中的路径就可以最小化。如果光子是从高空地面站发射的，它们主要是通过开放真空传播的。

但有个问题。量子通信需要一个能够识别和测量单个光子的探测器。近年来，物理学家设计和制造了越来越多的敏感器件来完成这项任务。

然而，这些器件的灵敏度使它们容易受到各种背景噪声的影响，这些背景噪声可能会使光子本身的信号负担过重。在太空中，单光子探测器的噪声主要来自两部分：器件本身的缺陷和外太空重离子质子轰击的噪声，以及杂散光子、各种重离子和质子等外来噪声引起的响应。

建立一个能在这种环境下工作的单光子探测器是一个重大挑战。难怪物理学家们绞尽脑汁已经很久了。

现在，中国科技大学合肥分校的彭承志和他的同事说，他们已经解决了这个问题。在过去的两年里，他们甚至在轨道卫星上测试了探测器，并说它工作得很好。

图1和图2前262天单光子探测器暗计数率，红色和黑色为观测数据，绿色为辐射引起的暗计数率，蓝色为月光引起的暗计数率（来源：论文）

该小组的探测器利用了一种叫做雪崩击穿的现象，这种现象在半导体芯片的特殊情况下会发生。像硅这样的半导体以自由电子和空穴的形式传导电流，在电场的影响下可以通过材料晶格。

在正常情况下，这些载流子被束缚在晶格上，所以它们不能移动。此时，材料是绝缘体。

然而，如果电子被释放（可能是由于热波动或入射光子的影响），它可以通过结构并产生电能。在这种情况下，材料变成导体。

当然，以这种方式释放的单个电子将产生难以探测的小电流。因此，雪崩击穿的诀窍是建立一个电压，该电压可以迅速地将自由电子加速到足够高的速度，以便其他导电电子可以自由地被击落。这就产生了一个连锁反应，一个雪崩，它产生一个更大，更容易检测到的电流。

近年来，物理学家已经使这些装置变得非常敏感，以至于一个特定波长的单光子可以触发雪崩。因此，单光子探测器可以探测到击中它的大部分光子。

但要为这种敏感性付出代价。空间高能粒子轰击器件晶体，导致内部缺陷增加体暗技术，使物理学家希望测量的光子信号可能被淹没。

因此，彭和他的同事的任务是找到保护和提高商用单光子探测器性能的方法，以便它们能够在太空中运行。

他们的第一个解决方案很简单：在探测器周围设置一个屏蔽层以阻挡高能粒子。这是一个微妙的平衡动作，因为屏蔽很重，所以进入轨道的成本很高。屏蔽层与高能粒子之间的相互作用也可能产生二次粒子簇射，使暗度更差。

彭和他的同事最终决定安装双层防护罩。外层为12mm铝板，内层为4mm高密度、重钽板。由此产生的屏蔽使辐射剂量减少了2.5倍。

屏蔽层还可以用作绝缘体，将雪崩光电二极管的温度控制在-50°C。通过降低器件体的温度，可以抑制高能粒子轰击引起的空间缺陷的噪声表达。

图|低噪声硅APD单光子探测器的保护与安装（来源：论文）

最后，采用无源猝灭电路，结合高压偏置调节、温度调节等，灵活地找到SNR的最佳工作点。

所有这些方法都是有效的。对于未受保护的单光子探测器，暗计数的速率预计将超过每秒200个计数，并且它将每天累积，从而淹没要测量的真实暗计数。

然而，改进后的探测器的暗计数率仅为0.54个计数/秒，从而使累积增量减少了两个数量级。

图|单光子探测器（SCD）原理图，其中ADC为模数转换器，DAC为数模转换器，comp为比较器，DDF为D触发器，PWM为脉宽调制器，Tec为半导体制冷器，HV为高压。ADC、DAC和PWM都与FPGA相连（来源：论文）

2016年，彭承志和他的同事在中国的墨子卫星上发射了探测器，这是量子技术的一次展示，并取得了一系列令人印象深刻的突破。例如，探测器是2017年从地球向卫星传输量子态信息的关键部件。这颗卫星还实现了大陆间第一次量子加密视频通话。

这些实验为新一代天基量子通信奠定了基础。彭和他的同事说：“我们的单光子探测器为深空光通信、单光子激光测距、空间物理基本原理测试等领域的空间研究和应用创造了新的机遇。”。

同时，其他国家的量子物理界对此都很羡慕，中国在天基量子通信领域具有明显的领先地位。

欧洲正在研制一种轨道量子技术演示器，称为安全和加密任务（SAGA）。这是在欧洲大陆建立量子通信网络的宏伟计划的一部分。不过，还没有宣布启动日期。

相比之下，美国的计划却停滞不前。2012年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）启动了一个名为quiness的项目，测试太空中的量子通信技术。但该项目和整个地区都严重缺乏资金。

现在的关键问题是，世界其他地区计划如何迎头赶上。需要了解更多请关注，黑谷量子，谢谢