- 中國研發的單光子探測器具備100通道，推進量子網絡技術。
- 該探測器的通訊保真度超過90%，顯示其有效性。
- 研究人員使用新材料克服了熱負載問題，提升了性能。
- 測試結果顯示，檢測效率達到80%，且虛假正確率極低。
中國上海微系統與資訊技術研究所 (SIMIT) 研發出一款具備 100 通道的單光子探測器，為中國發展寬頻量子網絡鋪平道路。使用此探測器測試的原型網絡顯示其通訊保真度超過 90%。隨著量子計算和感測技術的進步，未來對量子資訊網絡的需求將日益增長。儘管目前正在測試不同的網絡方案，但與現有光纖網絡相似的方案因其轉型便利性而更具潛力。單光子探測器 (SPD) 是此類網絡的關鍵組件，因其能夠測量光子或個別光粒子，進而用於儲存量子資訊。
SPDs 可以幫助部署光纖或太空鏈接以進行量子數據傳輸，同時也有助於量子糾纏或瞬間轉移，透過將量子狀態傳遞到光子中。
SPDs 的挑戰與需求
使用 SPDs 的挑戰在於，為了使量子技術得以發展和擴展，還需要開發更高容量的 SPDs。目前，量子研究中使用的 SPDs 主要有兩種。超導納米線單光子探測器 (SNSPDs) 是高端光電裝置，具有極高的檢測精度，但需要超低溫進行操作。另一方面，單光子雪崩二極體 (SPADs) 可以在室溫下工作，但準確性較低，因此 SNSPDs 更受青睞。然而，SNSPDs 對超低溫的要求也帶來了其他挑戰。
在讀取過程中，SNSPDs 需連接至保持在室溫的儀器。這通常是通過相對較厚且由熱導金屬製成的同軸電纜來實現，而這些電纜會使室溫熱量進入 SNSPD 的低溫腔室，這被稱為熱負載。隨著 SNSPD 內部檢測通道數量的增加，所需的讀取電纜數量也隨之增加，從而增加了熱負載。
新材料的應用與效果
為了克服這一問題，SIMIT 的研究人員對 SNSPD 進行了全面的重新設計，並用一種稱為高密度多核微帶線的特殊柔性材料替換了同軸電纜。這些微帶線不僅超薄，還具備良好的熱絕緣性，因此它們回傳給低溫腔室的熱量非常有限。根據 SIMIT 團隊的說法，進入系統的熱量僅為傳統電纜的二十一分之一。這使得他們能夠在不顯著增加 SNSPD 體積的情況下，增加更多獨立通道。
為了測試其設計，研究人員進行了為期七天的連續運行，結果發現低溫腔室的溫度保持在 2.1K 以下，接近絕對零度的 0K （-273.15 攝氏度）。在測試期間，通道的檢測效率達到 80%，同時報告的虛假正確率極低，研究人員在一篇論文中指出。
量子糾纏分佈網絡的測試
為了進行更貼近現實情境的比較，研究團隊建立了一個五用戶的量子糾纏分佈網絡，並設置了 10 條雙向量子鏈接。每位用戶通過新開發的 SPD 通道接收光子，並發現通訊保真度，即量子資訊的保存，超過 90%。該研究結果已發表於《Laser & Photonics Reviews》期刊。
項目 規格 通道數 100 檢測效率 80% 運行溫度 2.1K
新探測器如何影響量子技術發展
單光子探測器在量子技術中扮演重要角色，特別是在量子數據傳輸和量子糾纏方面。隨著對量子網絡需求的增加，開發高效能的探測器成為關鍵。SIMIT的研究顯示，通過創新設計和材料應用，可以有效解決傳統探測器面臨的熱負載問題，從而提升量子資訊的傳輸效率。這不僅有助於推進量子互聯網的發展，也可能促進相關技術的商業化應用，對未來的科技發展具有深遠影響。