近日，英國(guó)創(chuàng)新署宣布啟動(dòng)MARCONI項(xiàng)目，旨在研發(fā)量子密鑰分發(fā)(QKD)接收器。面對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全威脅，該機(jī)構(gòu)正通過(guò)兩項(xiàng)技術(shù)推動(dòng)QKD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，以期構(gòu)建覆蓋英國(guó)的全域安全量子通信網(wǎng)絡(luò)。作為終端設(shè)備，這些接收器通過(guò)單光子探測(cè)器(圖1)實(shí)現(xiàn)量子密鑰的解碼與處理——該裝置能精確測(cè)量攜帶加密量子密鑰的單個(gè)光子量子態(tài)。

SPAD與SNSPD系統(tǒng)對(duì)比

在QKD網(wǎng)絡(luò)的小型化部署和短距離通信場(chǎng)景中，四通道單光子雪崩二極管(SPAD)系統(tǒng)具有適用優(yōu)勢(shì)。SPAD利用偏置在擊穿電壓之上的半導(dǎo)體PN結(jié)，當(dāng)光子撞擊時(shí)產(chǎn)生的電子雪崩效應(yīng)可生成可檢測(cè)電信號(hào)。而英國(guó)創(chuàng)新署計(jì)劃開(kāi)發(fā)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)則面向大規(guī)模長(zhǎng)距離應(yīng)用，其核心是超導(dǎo)納米線(圖2)——光子引發(fā)的超導(dǎo)態(tài)破壞會(huì)產(chǎn)生電壓脈沖。

以下是兩種探測(cè)器的簡(jiǎn)要對(duì)比：

光子探測(cè)效率

SPAD的典型探測(cè)效率為10-30%，新型半導(dǎo)體材料的研發(fā)正推動(dòng)其性能提升。但其暗計(jì)數(shù)率(反映系統(tǒng)噪聲)高達(dá)100Hz以上，顯著高于超導(dǎo)探測(cè)器。盡管存在局限，SPAD因室溫即可工作(無(wú)需復(fù)雜冷卻系統(tǒng))仍具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

SNSPD的探測(cè)效率普遍超過(guò)90%，暗計(jì)數(shù)率低于1Hz。這些特性使其在深空光通信、量子計(jì)算及長(zhǎng)距QKD等低噪聲要求的領(lǐng)域具有特殊價(jià)值。其高效性源于低溫環(huán)境極大抑制了背景噪聲，但高昂的成本和系統(tǒng)復(fù)雜性制約了廣泛應(yīng)用。

可擴(kuò)展性分析

就規(guī)模化部署而言，SPAD因室溫工作特性更具優(yōu)勢(shì)——無(wú)需SNSPD所需的昂貴低溫冷卻系統(tǒng)，更易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。成熟的半導(dǎo)體制造工藝也為SPAD的大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。反觀SNSPD，其超低溫要求帶來(lái)顯著的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)，目前僅適用于高級(jí)研究設(shè)施。微型高效低溫恒溫器的研發(fā)或?qū)⒏淖冞@一局面，MARCONI項(xiàng)目正探索SPAD與SNSPD的混合解決方案，以平衡成本、性能與擴(kuò)展性。

技術(shù)發(fā)展與挑戰(zhàn)

量子傳感領(lǐng)域的核心課題是以最小成本實(shí)現(xiàn)最優(yōu)探測(cè)效率。碳化硅(SiC)、砷化銦鎵等半導(dǎo)體材料的進(jìn)步正提升SPAD的室溫性能，研究人員也在持續(xù)優(yōu)化半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以提高光子捕獲率。

對(duì)SNSPD而言，低溫冷卻仍是關(guān)鍵瓶頸。當(dāng)前研究聚焦于微型化低溫恒溫器和新超導(dǎo)材料開(kāi)發(fā)，以期降低工作溫度門(mén)檻。若實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的低溫技術(shù)，SNSPD的工業(yè)應(yīng)用前景將大幅拓寬。

核心結(jié)論

探測(cè)器選擇取決于具體應(yīng)用對(duì)性能與規(guī)模的權(quán)衡。雖然SNSPD目前主導(dǎo)高精度領(lǐng)域，但SPAD可能開(kāi)啟室溫量子技術(shù)的新紀(jì)元。隨著材料與冷卻技術(shù)的突破，SPAD或?qū)⑦M(jìn)軍高性能應(yīng)用市場(chǎng)。在量子計(jì)算領(lǐng)域，多家企業(yè)正嘗試將SNSPD集成至光子芯片并開(kāi)發(fā)大型低溫系統(tǒng);而SPAD展現(xiàn)的室溫量子計(jì)算潛力則更具商業(yè)化吸引力。未來(lái)，探測(cè)器精度與擴(kuò)展性的平衡發(fā)展將深刻影響光量子計(jì)算與通信的演進(jìn)軌跡。