超导单光子探测技术

单光子探测是弱光测量技术的核心,在量子信息、物理、生物、化学和天文学领域具有关键性的作用。传统以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的低灵敏度和高暗计数限制了信噪比的提高,低计数率限制了测量速度和动态范围。本文综述了以超导材料作为光敏感器件的单光子探测技术,其量子效率、暗计数率和计数率远高于传统的单光子探测器,它们的出现势必给单光子测量相关学科带来巨大影响。     

单光子探测器性能对量子密钥分发系统的影响

根据量子密钥分发协议的原理和单光子探测器的工作模式系统分析了单光子探测器性能对量子密钥分发系统影响的物理模型,给出了单光子探测器暗计数和量子效率对系统筛选码率和量子误码率等指标产生影响的计算公式,并通过对各类量子密钥分发系统的比较,推导出了适用于一般量子密钥分发系统的普适结果。结果表明,在同等条件下采用较少的探测时间门可以提高量子密钥分发系统的性能。     

超导转变边沿单光子探测器原理与研究进展

量子信息技术近十多年来的快速发展对单光子探测器的性能提出了更高的要求,高性能单光子探测器也因此受到了更多的关注.与传统的单光子探测器相比,超导转变边沿(TES)单光子探测器在探测效率、能量分辨、光子数分辨和暗计数等方面具有突出优势.目前,超导TES单光子探测器已经被成功地应用在量子光学实验和量子密钥分配系统中,未来在量子信息技术等研究领域具有更广泛的应用.本文从超导TES单光子探测器的工作原理、制备流程、测试系统、主要性能指标以及研究现状和进展等方面对该探测器技术进行简要综述.     

门控下InGaAs/InP单光子探测器用于符合测量的时域滤波特性研究

基于砷化镓/磷化铟雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)的半导体单光子探测器因工作在通信波段,且具有体积小、成本低、操作方便等优势,在实用化量子通信技术中发挥了重要作用.为尽可能避免暗计数和后脉冲对单光子探测的影响,InGaAs/InP单光子探测器广泛采用门控技术来快速触发和淬灭雪崩效应,有效门宽通常在纳秒量级.本文研究揭示了门控下单光子探测器可测量的最大符合时间宽度受限于门控脉冲的宽度,理论分析与实验结果良好拟合.该研究表明,门控下InGaAs/InP单光子探测器用于双光子符合测量具有显著的时域滤波特性,限制了其在基于双光子时间关联测量的量子信息技术中的应用.     

量子通信中单光子探测器的实验研究

为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%×10~(-6)/ns.     

单光子调制频谱用于量子点荧光寿命动力学的研究

本文开展了基于单光子调制频谱测量量子点荧光寿命动力学特性的研究.在脉冲激光激发下,对探测到的量子点单光子荧光信号进行频谱分析以获得荧光调制频谱,研究发现特征频谱信号幅值与荧光寿命之间存在确定的非线性对应关系.这种单光子调制频谱方法能有效消除背景噪声和单光子探测器暗计数的影响,用于分析量子点荧光寿命动力学特性时在准确度以及时间分辨率方面都较目前普遍采用的荧光衰减曲线寿命拟合方法呈现出明显优势:当涨落误差为5%时,寿命测量准确度提高了一个数量级;当涨落误差和偏离误差均为5%时,对动力学测量效率以及时间分辨率提高了四倍以上.因此单光子调制频谱可以作为获取量子点在短时间尺度内激发态动力学信息的一种有效技术手段.     

1.55 μm升频单光子探测量子密钥分配系统的性能研究

分析了1.55 μm升频单光子探测量子密钥分配(QKD)系统的性能,讨论了升频单光子探测器的主要参数：量子效率和暗计数与抽运功率的关系.比较了BB84协议、BBM92协议和DPSK协议的光纤QKD系统的性能：安全通信速率与距离的关系,通过比较得出升频探测器优于传统的InGaAs/InP雪崩二极管单光子探测器,用升频探测器后的通信距离能比传统的大两倍以上,能很好改善量子通信系统的性能. 关键词： 量子效率 通信速率 暗计数     

长距离长期稳定的量子密钥分发系统

介绍了最近完成的长距离长期稳定的量子密钥分发系统.该系统利用往返光路补偿光纤偏振 抖动和相位漂移的原理,采用结电容平衡魔T网络耦合的单光子探测技术,在506km单模 光纤中实现了长时间（大于12h）稳定的量子密钥分发实验.单脉冲平均光子数为007, 误码率为4%,其中单光子探测器的探测效率大于5%,单脉冲暗计数低于29×10^{-6. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 单光子探测}     

光量子随机数发生器

设计制作了基于单光子量子随机性的二进制随机数发生器,通过50/50光分束器的光子流被其后的单光子探测器记录下光子路径,经高速电路和计算机数据采集系统转换为二进制随机数流,目前实验中随机数采集速率达100 Kbit/s,本文采用延迟符合计数法来克服探测器暗计数的影响.使暗计数对随机数序列的影响下降了2到3个数量级,最后应用的三种随机性测试表明所采数据随机性良好.     

面向窄线宽超导纳米线单光子探测器的电子束曝光技术

超导纳米线单光子探测器是新型超导电子器件,因其具有高探测效率、低暗计数及低时间抖动等优势,在量子信息、激光雷达等方面已得到广泛的应用.目前主流超导纳米线单光子探测器主要工作在1.5_m 以下的可见光和近红外波段.中红外波长的红外探测技术在基础科学、医学、日常生活以及军事等广泛领域发挥着重要作用,中红外单光子探测器可以使得中红外波段探测技术进入量子极限灵敏度.根据超导纳米线单光子探测器探测机理,超窄线宽的纳米线条可以提升超导纳米线单光子探测器在中红外波长的灵敏度.电子束曝光技术是目前实现超导纳米线单光子探测器纳米线线条加工的主流技术,电子束抗蚀剂种类繁多,面向超窄线宽超导纳米线单光子探测器器件的制备需求,对两款抗蚀剂进行性能测试表征,和窄纳米线制备尝试.根据负性电子束抗蚀剂MaN-2401在制备窄线宽时的显著优点,优化工艺,利用其成功制备出50nm 线宽超导纳米线单光子探测器并成功实现了2000nm 的单光子响应.     

平衡零拍测量对连续变量量子密钥分配的影响

与单光子量子密钥分配采用单光子探测器不同，连续变量量子密钥分配采用平衡零拍测量技术.分析了由于参考光的真空噪声、分束器的透射率和反射率不相等引入的平衡零拍测量误差，以及平衡零拍测量探测器的电子噪声对连续变量量子密钥传输的最大安全距离的限制，给出了平衡零拍测量的探测噪声、电子噪声和密钥量之间的定量表达式.     

单光子探测器量子效率的自绝对标定

单光子探测器日益广泛地应用于科学研究的各个领域，精确地标定其量子效率成为应用的先决条件。我们首次实现了单光子探测器量子效率自绝对标定的原理性实验，即只利用待测探测器本身就可以对其量子效率进行绝对标定，而不需要第二个探测器或任何参考标准。该方法基于自发参量下转换产生的纠缠光子对的时间关联性，在信号光子和闲散光子之间引入延时，由单光子计数率和符合计数率测得探测器的量子效率。     

光量子信息利器——超导纳米线单光子探测器

利用超导宏观量子效应与环境电磁场的相互作用,超导探测器可以实现量子极限灵敏度探测。超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具备高探测效率、低暗计数等优异的性能,已经在量子信息、深空通信、激光雷达等领域得到了广泛的应用,并为中国"九章"光量子计算原型机、量子密钥分发等领域达到国际领先水平提供了核心探测技术支持。文章简述了SNSPD的基本原理,对其性能、制冷技术、应用以及常见的问题等进行了介绍,并对未来发展做了展望。     

基于热敏超导边界转变传感的单光子探测技术

单光子探测是实现光量子信息处理的关键技术之一。基于热敏超导边界转变传感的单光子探测技术以其独有的极低的暗计数率、极高的量子探测效率和极强的光子数分辨能力而倍受关注。对比于其他的几种单光子探测技术,如光电倍增管、工作于盖革模式的雪崩二极管和超导纳米线等,本文将从其探测原理、实验样品制备和信号采集处理方法等方面出发,对基于热敏超导边界转变传感单光子探测技术研究的历史、现状进行综述,进而展望其未来可能的发.     

基于热敏超导边界转变传感的单光子探测技术

单光子探测是实现光量子信息处理的关键技术之一。基于热敏超导边界转变传感的单光子探测技术以其独有的极低的暗计数率、极高的量子探测效率和极强的光子数分辨能力而倍受关注。对比于其他的几种单光子探测技术,如光电倍增管、工作于盖革模式的雪崩二极管和超导纳米线等,本文将从其探测原理、实验样品制备和信号采集处理方法等方面出发,对基于热敏超导边界转变传感单光子探测技术研究的历史、现状进行综述,进而展望其未来可能的发展。     

预报单光子源诱骗态量子密钥产生率及数值计算

独立推导预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率计算公式,讨论密钥产生率和发送端探测效率的关系;进行弱相干光和预报单光子源诱骗态量子密钥分发的最优强度估计和密钥产生率数值计算.结果表明,预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率随着发送端探测效率的增加而增加,其安全通信距离与完美单光子源的通信距离一致;诱骗态量子密钥分发可提高安全通信距离和密钥产生率;预报单光子源由于减少了暗计数的影响,进一步提高了安全通信距离.     

30.4nm极紫外成像探测器的实验研究

报导了最新研制的30.4 nm极紫外成像探测器的实验研究结果.该探测器采用了楔条形阳极(WSA)、高增益v型级联微通道板组件、低噪声电子读出系统等先进技术,利用单光子计数成像技术在实验审成功获得了模拟图像.搭建了相应的实验系统,对探测器成像的线性度、空间分辨率、暗计数等性能进行了实验研究.结果表明,该探测器具有φ45 nm的有效面积,空间分辨率优于100μm,暗计数率低[0.4 count/(cm2·s]、成像线性度好、结构简单等优点.     

相位调制量子密钥分配实验系统研制

中国科学技术大学量子信息重点实验室建立了一套量子密钥分配实验装置.该系统用强衰减850nm脉冲激光器作为单光子光源;编码方式以不等臂M-Z干涉仪为基础的相位调制法;相位调制基于自制的压电陶瓷环控制的全光纤相调制器;探测器采用EG&G公司生产的SPCM-AQR集成单光子计数模块,其最大暗计数小于50/S.     

单光子探测技术

近年来,以量子密钥分配为代表的各种量子信息技术应用获得了飞速发展,这些应用对单光子探测器的性能提出了非常苛刻的要求,以光电倍增管和雪崩光电二极管为代表的传统单光子探测器件已经无法满足需求。在此背景下,出现了以超导单光子探测器为代表的新型低温单光子探测器件,其性能比现有商用单光子探测器有了本质性的提升。本文综述了迄今为止各种类型的单光子探测器,并指出各自在量子信息技术应用中的优势和不足之处以及发展方向。     

基于标准探测器的硅单光子雪崩探测器探测效率测量

针对硅单光子雪崩探测器探测效率高准确度测量的需要,建立了一套溯源至标准探测器的硅单光子探测器探测效率测量装置。首先通过大动态范围高精度衰减产生光子数已知的准单光子源来校准探测器的探测效率,其次对影响探测效率测量的后脉冲概率和死时间进行了分析与测量,最后系统分析了各测量不确定度的来源,实现了硅单光子雪崩探测器在632.8nm波长处探测效率测量不确定度达到0.6%(k=2)。该装置采用超连续谱光源与单色仪组合输出单色光源,结合标准探测器,可根据需要实现硅单光子雪崩探测器宽波段内的探测效率自动化测量。