国家标准与技术研究所 一个
光子被吸收，产生电子-空穴对(载流子对)
信用:肖恩凯利/NIST 在21世纪的高端通信中，信息以光脉冲流的形式传播，通常通过光缆传播
每一个脉冲都可以微弱到一个光子，这是光的最小单位(量子)
这种系统的运行速度主要取决于接收端的探测器识别和处理光子的速度和精确度
现在，国家标准与技术研究所(NIST)的科学家们已经设计出一种方法，这种方法能够以比现有最佳技术快10倍的速度检测单个光子，具有更低的错误率、更高的检测效率和更少的噪声
“虽然经典通信和探测可以在极高的速度下运行，但量子系统需要对最微弱的脉冲有极高的灵敏度，因此速度要低得多，”该小组组长艾伦·米格达尔说
“将这种终极灵敏度与实现高速光子计数的能力相结合是一项长期的挑战
在这里，我们将两种性能限制都推到了同一个设备上
" NIST的创新包括围绕一种名为单光子雪崩二极管(SPAD)的重型探测器的控制电子系统的重大重新设计，在该探测器中，入射光子触发半导体上微小但可测量的电流脉冲
空间光探测器不仅用于光通信，还用于激光雷达(雷达的高频对应物)和其他类型的3D成像，以及正电子发射断层扫描等用途
2
电子和空穴被施加的偏压加速
信用:肖恩凯利/NIST 在半导体上施加电压
当光子击中探测器时，其吸收的能量将电子从半导体中的原子上激发出来——这与太阳能电池板产生电能的光电效应相同
这个松散的电子被外加电压加速，并引起一种连锁反应，其中大量相邻的原子释放出一个“车安雪崩”电子，就像一个小的附加应力可以促使整个山坡的雪坍塌一样
雪崩电流是输出信号
最后，通过用反电压猝灭电流并恢复初始施加的电压来重置设备
因为雪崩包含如此大量的电子，让整个系统回到安静状态，准备好探测另一个光子是一个挑战
传统的空间光探测器每秒可以探测到100万到1000万个光子
这看起来似乎很快，但不足以满足现代通信的发展需求
然而，提高利率是有问题的，因为其中涉及许多权衡
三
加速的电子将其他电子击散，造成载流子对的雪崩
信用:肖恩凯利/NIST 例如，入射光子撞击的吸收层的厚度决定了设备捕捉入射光子的可能性:厚的吸收层(大约0
1毫米，大约人类头发的宽度)具有更高的光子捕获概率，因为它们的深度更大；较薄的层更有可能让光子穿过而不被发现
但是吸收器越厚，需要施加的电压越高
更高的电压会产生更大的雪崩——大到足以使器件过热，降低检测效率，并增加虚假“后脉冲”的风险，即在半导体中捕获的剩余电子在开关复位后引发二次雪崩
为了减少后脉冲，有必要在两纳秒(十亿分之一秒)或更短的时间内重置系统
传统的检测电流然后进行淬火的模块不能那么快地运行，历史上厚吸收体喷涂的性能限制在每秒1000万次或更少
一般认为，厚吸收体的空间碎片不适合较高的速率计数
四
这种雪崩在结上产生快速增长的电流，这是可以检测到的
信用:肖恩凯利/NIST 为了克服厚吸收装置中的这些问题，NIST团队——在《应用物理快报》上报道了他们的结果——开始试验一种先进的电子系统，用于商业上可获得的厚吸收装置
像许多这样的系统一样，开关式自动开关装置是反复“选通”的——也就是说，它是通过以某一频率施加交流电压来连续复位的
因此，雪崩二极管产生雪崩的最长时间是栅极间隔
该杂志文章的第一作者、NIST的同事迈克尔·韦恩说:“这类空间碎片的典型选通频率被限制在不超过150兆赫。”
[1兆赫是每秒一百万个周期
] “这意味着空间碎片探测器能够雪崩6到7纳秒，”韦恩说
“虽然这看起来不是很长的时间，但对于设备来说，足够长的时间既可以让电荷完全饱和(这会增加不必要的后脉冲)，又可以让设备在高计数率下变得足够热，从而降低检测效率
以更高的频率选通——从而缩短雪崩的最大持续时间——将减轻这两种影响
但是因为雪崩不允许长时间增长，它可能变得太小而无法检测到由开关门引起的“噪音”
" 五
然后降低偏置电压，“猝灭”半导体以去除现有的载流子对
信用:肖恩凯利/NIST 为了克服这个问题，研究小组开发了一种类似于消除噪音耳机的方法:应用射频信号来精确抵消噪音
这使得他们能够以每秒10亿周(1千兆赫)的速度运行空间碎片探测器
减去噪音，项目负责人乔舒亚·别方说，“我们能够揭示极小的雪崩
此外，高频意味着门只打开500皮秒
[一个ps是万亿分之一秒
500 ps是半纳秒
]这导致平均雪崩电流减少了大约500倍，降低了后脉冲和自热效应，使我们能够以每秒1亿次的速度计数
" 六
最后，偏置电压升回到其初始状态，使器件复位
信用:肖恩凯利/NIST “新的空间光分布设计可以在量子通信和量子计算的应用中找到实际用途，”米格达尔说
“这两者都提供了传统通信和计算无法提供的能力
这两种应用都将受益于更快、更低噪声的单光子探测器
" “这种新颖的设计可能会影响许多量子应用
它们的范围从单光子检测到新兴的量子互联网，前者的计数率更快，噪声更低，减少了现有测量的时间，后者在量子通信和量子计算方面严重依赖单光子检测
这两者都有望对我们的社会和经济产生重大影响
"
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