自從升天運(yùn)行以來，中國的量子通信衛(wèi)星“墨子號”取得了一系列令人印象深刻的突破，這要歸功于強(qiáng)大的光子探測器能夠克服背景噪聲。

單光子的新興用途之一是將量子信息打包并發(fā)送到另一個位置。這項被稱為量子通信的技術(shù)利用了物理定律確保信息不會被任何竊聽者讀取。

該技術(shù)面臨的一項挑戰(zhàn)是如何將量子信息傳送到世界各地。這是一個難以解決的問題，因為攜帶量子信息的光量子非常脆弱，任何光子與其環(huán)境之間的任何相互作用都會破壞它。在不破壞光子攜帶的量子信息的情況下，目前地面?zhèn)鬏數(shù)臉O限為142公里，通過光纖實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的極限為421公里——距離越遠(yuǎn)，光量子傳輸效率越低。

為此，中國物理學(xué)家想出了一種解決方法：將光子發(fā)射到軌道衛(wèi)星上，衛(wèi)星再將其中繼到地球表面的另一個位置。這樣一來，便可將光子在大氣中傳輸?shù)穆烦套钚』?。如果光子是從高海拔的地面站發(fā)射的，則它們的行程主要是通過空曠的真空。

但有個問題，量子通信需要能夠識別和測量單個光子的探測器。近年來，物理學(xué)家已經(jīng)設(shè)計和制造出了越來越靈敏的設(shè)備，以完成這一任務(wù)。

但是，設(shè)備的敏感性使它們很容易受到所有類型的背景噪聲的影響，這些背景噪聲可能會使來自光子本身的信號不堪重負(fù)。在太空中，單光子探測器的噪聲主要來自兩部分：器件本身的缺陷和在外太空中遭受重離子質(zhì)子轟擊的噪聲，以及外來噪聲如雜散光子、各種重離子、質(zhì)子引起的響應(yīng)等。

構(gòu)建可在這種環(huán)境下運(yùn)行的單光子探測器是一項重大挑戰(zhàn)。也就難怪，物理學(xué)家們?yōu)檫@一難題絞盡腦汁很長一段時間。

現(xiàn)在，來自位于合肥的中國科技大學(xué)的彭承志和他的同事們說，他們已經(jīng)解決了這個問題。過去兩年中，他們甚至已經(jīng)在軌道衛(wèi)星上測試了探測器，并表示它運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

圖| 1號和2號單光子探測器在最初262天的暗計數(shù)率，紅色和黑色為觀測數(shù)據(jù)，綠色為輻射引發(fā)的暗計數(shù)率，藍(lán)色為月光引發(fā)的暗計數(shù)率

該小組的探測器利用了一種稱為雪崩擊穿的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在特殊情況下會在半導(dǎo)體芯片中發(fā)生。諸如硅之類的半導(dǎo)體以自由電子和空穴的形式傳導(dǎo)電流，自由電子和空穴可以在電場的影響下穿過材料晶格。

在正常情況下，這些電荷載流子被束縛在晶格上，因此不能移動。此時，材料是絕緣體。

但是，如果電子被釋放出來（可能是由于熱波動或入射光子的撞擊而被釋放），它就可以穿過結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生電流。在這種情況下，該材料成為導(dǎo)體。

當(dāng)然，以這種方式釋放的單個電子會產(chǎn)生難以檢測的微小電流。因此，雪崩擊穿的竅門是建立一個電壓，該電壓可迅速將自由電子加速到足夠高的速度，以使其他導(dǎo)電電子被自由擊落。這會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，也就是雪崩，從而產(chǎn)生更大、更容易檢測到的電流。

近年來，物理學(xué)家已經(jīng)將這些設(shè)備改進(jìn)得如此敏感，以至于特定波長的單個光子就能觸發(fā)這種雪崩。如此一來，一臺單光子檢測器能夠發(fā)現(xiàn)擊中它的大多數(shù)光子。

但是，獲得這種敏感性需要付出代價。太空中的高能粒子轟擊器件晶體，使內(nèi)部出現(xiàn)缺陷導(dǎo)致本體暗技術(shù)增加，以至于可能淹沒了物理學(xué)家希望測量的光子信號。

因此，彭承志和其同事的任務(wù)是尋找方法來保護(hù)和提高商業(yè)上現(xiàn)成的單光子探測器的性能，使之可以在太空中運(yùn)行。