24、光子在量子通信与数据传输中的应用

光子在量子通信与数据传输中的应用

1. 加密光子的单光子探测器

在量子密钥分发（QKD）中使用弱单光子，需要具备极低背景噪声的单光子探测器，并且要能够对大量入射光子做出快速响应，以实现高安全密钥率。传统室温单光子雪崩光电二极管探测器背景噪声高，这限制了单光子QKD在电信光纤中的传输距离，大约只能达到150公里。

为了实现长距离光纤传输所需的低背景噪声，可以使用低温冷却（T ≈ 4 K）的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。2001年，展示了响应时间为几皮秒的SNSPD。其具体结构为：在蓝宝石衬底上沉积一条5 nm厚、200 nm宽、1 μm长的NbN纳米线带，对其进行电流偏置，使其略低于失去超导性的数值，并通过金触点连接到外部电压测量电路，纳米线冷却到T = 4.2 K。当有光子入射到纳米线上时，会产生一个“热点”，纳米线的局部温度会升高到临界温度Tcrit ≈ 10 K以上，此时可以测量到电压脉冲。大约30 ps后，纳米线会恢复到超导零电压状态，准备接收下一个入射光子。

通过将一系列平行纳米线以蛇形或蜿蜒模式连接起来，可以制造出更大面积的探测器，这对于长距离QKD通信具有实际应用价值。下表展示了不同类型探测器的性能对比：
|探测器类型|背景噪声|响应时间|探测效率|适用距离|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|传统室温单光子雪崩光电二极管探测器|高| - | - |约150公里|
|超导纳米线单光子探测器（SNSPD）|低|几皮秒|高达93%（特定条件下）|更长距离|

下面是SNSPD的工作流程mermaid流程图：