研究人員已經開發出一種新的探測器，能夠以非常高的速率精確測量單光子。這種新裝置可能有助於使高速量子通信成為現實。量子通信使用單光子水平的光來發送編碼的量子信息，如量子密鑰分配中的加密密鑰。由於物理定律的存在，以這種方式傳輸的數據可以保證安全。以更快的速度發送信息需要一個單光子探測器，它不僅可以快速檢測到光子，還可以精確測量它們的到達時間。

在Optica出版集團的高影響力研究雜誌《Optica》上，由美國宇航局噴氣推進實驗室的Matthew D. Shaw領導的研究人員描述並展示了他們用於測量光子到達時間的新探測器，他們稱之為PEACOQ（用於計算光量子的性能增強陣列）探測器。

“我們的新探測器是由矽芯片上的32個氮化鈮超導納米線組成的，它可以實現高精度的高計數率，”研究小組成員、博士後學者Ioana Craiciu說。”該探測器的設計考慮到了量子通信，因為這是一個一直受限於現有探測器性能的技術領域。”

研究小組負責人Matthew Shaw檢查了安裝在低溫箱內的PEACOQ探測器，以便進行測試

該探測器是作為美國宇航局項目的一部分而開發的，該項目旨在實現空間到地面的量子通信新技術，從而在未來實現跨洲際距離的量子信息共享。這項工作建立在為美國宇航局深空光通信項目開發的技術基礎上，該項目將首次展示來自行星際空間的自由空間光通信。

Craiciu說：”目前還沒有另一個探測器能夠以同樣的時間分辨率如此快速地計算單光子。我們知道這個探測器將對量子通信有用，但我們也希望它能實現我們尚未考慮的其他應用。”

更快的量子通信

加快量子通信傳輸速率需要在接收端有一個探測器，它可以進行快速測量，並表現出較短的死機時間，這樣它就可以與到達的高速率光子抗衡。探測器還必須精確測量光子的到達時間。

Craiciu說：”儘管有一些探測器可以高精度地測量光子的到達時間，但當光子快速連續到達時，它們很難跟上，可能會錯過一些光子，或者把它們的到達時間弄錯，我們設計的PEACOQ探測器可以精確測量單個光子的到達時間，即使它們正以很高的速度撞擊探測器。它也是高效的，它不會錯過許多光子。”

PEACOQ探測器是由厚度僅為7.5納米的納米線製成的，或比人的頭髮薄約1萬倍。在非常冷的溫度下操作它–大約1開爾文，或-458°F–使納米線變得超導，這意味著它們沒有電阻。在超導條件下，任何擊中一根導線的光子都有很大機會被該導線吸收。任何被吸收的光子都會產生一個熱點，以一種可檢測的方式增加電線的電阻。一台計算機和一個時數轉換器被用來記錄電阻變化的時間，從而記錄一個光子到達探測器的時間。

當探測器測量一個光子時，它輸出一個電脈衝，而時間-數字轉換器非常精確地測量這個電脈衝的到達時間，其分辨率低於100皮秒，或比彈指一揮間快7000萬倍。新開發的一種新的時間-數字轉換器可以用這種時間分辨率同時測量多達128個通道，這很重要，因為探測器需要32個通道。

為了展示新的探測器，研究人員通過將其安裝在一個低溫箱中將其冷卻到1開爾文。他們使用了一個定制的測試裝置，將光送入低溫箱到檢測器，並使用一連串的電子裝置將檢測器的輸出信號從低溫箱中傳輸出來，將其放大並記錄。由於有32根納米線，研究人員不得不使用32套每個組件，包括32根電纜和32個每種類型的放大器。

前所未有的計數能力

“我們對檢測器的工作情況非常滿意，”Craiciu說。”它能夠測量光子的速率是我們所見過的最高的。它需要一個複雜的設置，因為32個納米線中的每一個都要單獨讀出，但對於你真正需要以高速度和高精度測量光子的應用來說，它是值得麻煩的。”

通常情況下，正在傳輸的量子信息被設置為一個時鐘，每條信息被編碼為一個光子，並在一個刻度上發送。能多精確地測量光子到達接收器的時間，決定了抵達距離能有多近而不出錯，因此它決定了能多快地發送信息。新的檢測器使得以最先進的10GHz的時鐘頻率進行量子通信變得切實可行。

研究人員仍在努力對PEACOQ探測器進行改進，目前該探測器的效率約為80%–這意味著有20%的光子撞上探測器後沒有被測量。他們還計劃建造一個可用於量子通信實驗的便攜式接收器裝置。它將包含幾個PEACOQ探測器以及光學器件、讀出電子器件和一個低溫恆溫器。