科学家开发了一种方法，有望将量子卫星寿命延长10年

光子盒研究院出品

雪崩光电二极管(APD)非常适合量子通信卫星上的单光子探测，这是一种成熟的技术，具有高探测效率，不需要低温冷却。但APD容易因在轨辐射损伤而导致热噪声显著增加。先前的工作表明，一次性应用热退火可以降低辐射损伤引起的APD热噪声。

在此基础上，加拿大滑铁卢大学的研究人员使用加速测试环境，模拟低地球轨道卫星两年的实际运行情况。研究表明，重复热退火可以在更长的时间内有效地将硅APD的热噪声保持在适合量子密钥分发的范围内。这项工作的结果已经发表在国际科学杂志EPJ Quantum Technology上。

量子密钥分发(QKD)协议利用公共光信道，通过交换由单个光子携带的量子比特来安全地分发密钥。这种绝对安全性是通过不可克隆定理获得的：窃听者对量子比特的任何测量都有可能改变该比特的状态。这就揭示了窃听者的存在。

两个通信用户之间的量子密钥分发是通过光子实现的，光子通过光纤或大气视距信道传播。光纤受到光子损失的限制，这就导致我们无法将量子通信延伸到大洋彼岸。然而，轨道卫星可以通过量子通信网络覆盖整个地球表面。

QKD系统中的接收器为单光子探测器，基于硅APD。单光子在卫星上的记录是QKD系统中的一个关键环节。然而，探测器有一个重要的、关键的缺点，它们对太阳辐射非常敏感，并逐渐被太阳辐射损伤。

因此，随着探测器产生的噪声不断增加，可能会影响系统的运行，最终使QKD变得不可用。滑铁卢大学的研究人员已经找到了解决这个问题的办法。

该研究的合著者、俄罗斯国立科技大学(NUST)MISIS NTI量子通信中心量子黑客实验室负责人Vadim Makarov教授(其所属单位中包括中国微尺度物质科学国家研究中心)说：“我们已经证明，硅探测器模块的热退火可以有效地将寄生‘噪声’保持在适合卫星整个运行期间分发量子密钥的水平。在这项工作中，我们研究了两种策略：在固定的时间间隔内退火，以及只有在热噪声超过一定限制时退火。我们发现，这两种策略在寿命末期都表现出可接受的热噪声，而后一种策略具有轻微的总体优势。”

他们的研究结果表明，在轨辐射产生的硅晶格缺陷可以通过短期加热并进行退火来修复。这是使用珀耳帖冷却器来完成的，它通常在探测器设备中工作，产生的温度为-80 ℃。如果你在反向模式下打开它，并将探测器模块加热到+80 ℃，持续一个小时，缺陷将自行修复。

加拿大滑铁卢大学量子光子学实验室主任Thomas Jennewein副教授解释说：“在半导体的层面上，这个过程的物理原理还不清楚，但实验结果表明，在加热退火过程中，缺陷部分被修复。因此，探测器中的寄生噪声量降低到了可接受的水平。”

卫星的任务是尽可能长时间地在轨道上工作。根据科学家的说法，在现有辐射的情况下，它只能维持大概一年左右。如果在必要时定期退火，使用寿命可延长至10年。这项工作必须定期进行——命令被远程发送到卫星，然后电子设备执行退火。Jennewein说：“我们将监测噪声水平，并在探测器噪声过大时进行退火”。

研究团队在温哥华的粒子加速器上进行了辐射测试，模拟了近10年来在太空中积累的重辐射粒子质子通量。

在他们的测试中，质子束非常强烈，以至于在退火周期之间的几个月内模拟了两分钟长的辐射爆发。

值得一提的是，加拿大目前启动了QEYSSat量子卫星项目，该卫星配备了这种退火技术的单光子探测器。计划于2023年发射。

参考链接：

[1]https://epjquantumtechnology.springeropen.com/articles/10.1140/epjqt/s40507-021-00103-0

[2]http://spaceref.com/news/viewpr.html?pid=58556

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