一個由JPL和加州理工學院開發的新探測器可以改變相隔數千英里的量子計算機如何交換大量的量子數據。量子計算機有希望比傳統計算機的運行速度快數百萬倍。但是為了進行長距離通信，量子計算機將需要一個專門的量子通信網絡。

為了幫助形成這樣一個網絡，美國宇航局噴氣推進實驗室和加州理工學院的科學家已經開發出一種設備，可以以令人難以置信的精度計算大量的單光子–光的量子粒子。就像測量被消防管噴灑的單個水滴一樣，計算光量子的性能增強陣列（PEACOQ）探測器能夠測量每個光子擊中它的精確時間，在100萬億分之一秒內，速度為每秒15億光子。迄今為止沒有其他探測器能達到這個速度。

PEACOQ項目組成員Ioana Craiciu說：”到目前為止，長距離傳輸量子信息是非常有限的，像PEACOQ這樣的新檢測器技術，能夠以零點幾納秒的精度測量單光子，能夠以更高的速率、更遠的距離發送量子信息。”他是JPL的博士後學者，也是描述這些結果的研究的主要作者。

這張照片顯示了幾個PEACOQ探測器在矽片上打印後不久。插入的圖片顯示了單個PEACOQ的細節。每個PEACOQ探測器都比一角硬幣小一點。資料來源：NASA/JPL-Caltech

傳統的計算機通過調製解調器和電信網絡傳輸數據，將信息複製成一系列的1和0，也稱為比特。然後這些比特通過電纜，沿著光纖，並通過光的閃爍或無線電波的脈沖在太空中傳輸。當收到時，這些比特被重新組合，以重新創建最初傳輸的數據。

量子計算機的通信方式不同。它們將信息編碼為量子比特–或稱量子比特–在基本粒子中，如電子和光子，在不被破壞的情況下不能被複製和重新傳輸。更加複雜的是，通過光纖傳輸的量子信息通過編碼的光子在短短幾十英里後就會退化，大大限制了任何未來網絡的規模。

領導JPL超導探測器工作的Matt Shaw在這裡檢查安裝在低溫箱上的PEACOQ，該低溫箱用於保持探測器工作所需的極低溫度。資料來源：NASA/JPL-Caltech

為了讓量子計算機超越這些限制進行通信，一個專門的自由空間光量子網絡可以包括圍繞地球運行的衛星上的空間”節點”。這些節點將通過產生成對的糾纏光子來傳遞數據，這些光子將被發送到地面上相距數百甚至數千英里的兩個量子計算機終端。

一對糾纏的光子是如此緊密地聯繫在一起，以至於測量一個光子會立即影響到測量另一個光子的結果，即使它們相隔很遠。但是，為了讓這些糾纏的光子在地面上被量子計算機的終端接收，需要一個像PEACOQ這樣的高度敏感的探測器來精確測量它接收每個光子的時間並傳遞它所包含的數據。

該探測器本身很小。它的寬度只有13微米，由矽芯片上的32根氮化鈮超導納米線組成，連接器呈扇形排列，每根納米線比人的頭髮還要細一萬倍。

PEACOQ探測器由美國宇航局空間作業任務局的空間通信和導航（SCaN）項目資助，由JPL的微器件實驗室建造，必須保持在絕對零度以上的低溫，或零下458華氏度（零下272攝氏度）。這使納米線保持在超導狀態，這是它們能夠將吸收的光子轉化為傳遞量子數據的電脈衝所需要的。

PEACOQ團隊成員站在用於測試探測器的JPL低溫恆溫器旁邊。左起：Alex Walter, Sahil Patel, Andrew Mueller, Ioana Craiciu, Boris Korzh, Matt Shaw, and Jamie Luskin. 資料來源：NASA/JPL-Caltech

儘管該探測器需要對單光子有足夠的敏感度，但它也被設計成能夠承受一次被許多光子擊中。當探測器中的一根納米線被一個光子擊中時，它暫時無法檢測到另一個光子–這段時間被稱為”死期”–但每根超導納米線都被設計為具有盡可能少的死期。此外，PEACOQ配備了32根納米線，以便在一根納米線”死亡”時，其他納米線可以接替它。

Craiciu說：”在短期內，PEACOQ將被用於實驗室實驗，以展示更高的速率或更遠的距離的量子通信。從長遠來看，它可以為我們如何在世界各地傳輸量子數據的問題提供一個答案。”

PEACOQ是美國宇航局為實現太空和地面之間的自由空間光通信所做的更廣泛努力的一部分，它是基於為美國宇航局的深空光通信（DSOC）技術演示所開發的探測器。DSOC將在今年晚些時候與美國宇航局的Psyche任務一起發射，首次演示地球和深空之間的高帶寬光通信在未來如何運作。

領導這項研究的Ioana Craiciu站在用於測試PEACOQ的低溫器旁邊，該低溫器的溫度低至絕對零度以上。在這個溫度下，探測器處於超導狀態，允許其納米線將吸收的光子變成電脈衝。

資料來源：NASA/JPL-Caltech

雖然DSOC不會傳遞量子信息，但其位於南加州加州理工學院帕洛瑪天文台的地面終端需要同樣的極端敏感度，以便在DSOC收發器穿越深空時計算通過激光到達的單光子。

領導JPL超導探測器工作的馬特-肖說：”這都是一種帶有新類別探測器的相同技術。無論該光子是用量子信息編碼，還是我們想從深空的激光源中探測單光子，我們仍然在計算單光子。”