误差小于100万亿分之一秒，NASA实现高精度单光子探测器

光子盒研究院出品

美国宇航局（NASA)喷气推进实验室（JPL）和加州理工合作开发单光子计数探测器孔雀（PEACOQ），可以以极高的速率探测单光子，这将改变远距离量子计算机交换量子数据的方式。

单光子计数性能增强阵列探测器孔雀

探测器本身很小，只有13微米宽，由硅芯片上的32根氮化铌超导纳米线组成，连接器呈扇形展开，就像孔雀的羽毛一般。其上每根纳米线比人的头发细10,000倍。

量子计算机有望比经典计算机快数百万倍，但量子计算机的通信方式与经典计算机不同。它们将信息编码为基本粒子（例如电子和光子）的量子位（或量子比特），这些粒子在不被破坏的情况下无法复制和重新传输。更为复杂的是，光子编码的量子信息在通过光纤传输仅仅几十英里后就会退化，这极大地限制了未来量子计算机网络的规模。

要进行远距离通信，量子计算机将需要专用的量子通信网络。科学家设计出包含环绕地球的卫星上的空间“节点”的自由空间光量子网络。这些节点将通过生成成对的纠缠光子来中继数据，然后这些光子可以被发送到地面上彼此相距数百甚至数千英里的两个量子计算机终端。

成对的纠缠光子紧密地联系在一起，测量一个光子会立即影响测量另一个的结果，即使它们相隔很远也是如此。要让量子计算机的终端在地面上接收到这些纠缠光子，就需要高灵敏度探测器来精确测量它接收每个光子的时间并传送它包含的数据。

为了帮助形成这样一个网络，JPL和加州理工学院的科学家们开发出孔雀，其可以以令人难以置信的精度计算大量的单光子，就像在消防水带喷洒时测量单个水滴一样。孔雀能够以每秒15亿个光子的速率测量每个光子撞击它的精确时间，误差在100万亿分之一秒内，这一性能是前所未有的。

“到目前为止，远距离传输量子信息非常有限，”项目团队成员Ioana Craiciu说，“孔雀这样的新探测器技术可以以几分之一纳秒的时间精度测量单个光子，从而能够以更高的速率、更远的距离发送量子信息。”

尽管孔雀对单个光子足够灵敏，但它也可以承受同时被多个光子撞击。当探测器中的一根纳米线被一个光子击中时，它暂时无法探测到另一个光子，这段时间被称为“死区时间”。除了每根超导纳米线都被设计成尽可能少的死区时间外，孔雀配备了 32 根纳米线，这样某一根纳米线处于“死区时间”时，其他纳米线也可以探测。

“短期内，孔雀将用于实验室实验，以展示更高速率或更远距离的量子通信，”Craiciu说。“从长期来看，它可以为我们如何在世界范围内传输量子数据的问题提供答案。”

低温恒温器中，孔雀处于超导状态，允许其纳米线将吸收的光子转化为电脉冲。图右为Ioana Craiciu。

不仅可以用于构建量子计算机网络，同时，孔雀也是NASA实现太空与地面自由空间光通信计划的一部分，也称为深空光通信（DSOC）。深空光通信项目预计于今年下半年发射，将首次展示未来地球与深空之间的光通信如何运作。

虽然深空光通信不涉及量子信息传递，但地面终端同样需要极高的单光子探测灵敏度。

“这与孔雀探测器的技术完全相同，”JPL超导探测器工作的负责人Matt Shaw说，“无论这个光子是用量子信息编码的，还是我们想要检测来自深空激光源的单个光子，我们仍在测量单个光子。”

参考资料

https://www.jpl.nasa.gov/news/nasas-quantum-detector-achieves-world-leading-milestone

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