单光子探测器

单光子探测器

单光子探测器是进行光子探测的实验设备，它通常只能探测光子的有或者没有，不能直接给出光量子态的完整信息，要想从探测结果来重构光量子态信息，需要结合其他的理论和实验手段。目前在可见和红外波段，单个光子的能量约为10-19 J，实现对如此低能量粒子的准确探测是很有挑战的工作。早期的单光子主要是光电倍增管，随着材料科学和量子信息科学的发展，单光子探测器的类型也逐渐丰富起来，这里主要介绍单光子探测器性能的主要指标：特征波长范围，死时间，暗计数，探测效率，时间抖动，光子数分辨能力。

探测器的特征波长范围指的是探测器能够响应的光谱频率范围。目前的单光子探测器都只对某一波段的光子敏感，这是由探测器的制作材料及加工工艺决定的，而探测器的光谱响应特性也决定了它的应用范围。例如对自由空间的量子通信来说，使用的光子波长主要集中在可见光波段400nm-1060nm或者近红外波段900nm-1700nm，需要对这一波段较敏感的探测器;而对于光通信来说，由于光纤在1550nm这个波长具有最小的损耗，所以对基于光纤的量子信息网络，探测器必须对1550nm光子有足够高的探测效率。

当探测器探测到一个光子之后，在一定的时间内，探测器不能响应新的光子，这一段时间称为探测器的死时间，一般来说死时间越短越好。在当前的技术条件下，死时间取决于探测器的电子学后处理系统而非探测器的感光材料。例如，对于基于雪崩二极管的单光子探测器，当探测器探测到一个光子之后，探测器需要抑制这个信号带来的后脉冲信号，这样就必须将探测器关断一段时间，等到前一个探测器的后脉冲信号基本消除之后才能重新开启，这一段时间就是雪崩二极管的单光子探测器的死时间，可见光波段400nm-1060nm探测器的死时间一般固定为33ns,近红外波段900nm-1700nm探测器的死时间一般从500ns到1ms可调，死时间决定了探测器的最大计数率。

当没有光子进入探测器时，探测器仍然有计数率，这就是暗计数。暗计数是由于感光材料的缺陷，电压偏置和外界环境的干扰比如温度，湿度，热噪声等因素引起的。暗计数对实验的信噪比有直接影响，因此降低暗计数是单光子探测器发展的重要目标。现在法国Aurea Technology的单光子探测器暗计数可以做到小于25cps（世界第一）.

探测效率指的是当有光子进入探测器的时候，它被探测到的概率。目前商用探测器的最大探测效率约为70%，如Aurea Technology生产的SPD_A_VIS.提高探测效率在

几乎所有的量子信息研究中都有非常重要的意义，尤其在光量子计算领域，量子通信领域。

时间抖动指的是不同光子进入探测器被转化为输出信号这一过程的时间晃动。如果探测器时间抖动大，而测量的时间周期比较短，则有可能最终使得在前一个周期探测到的光子，最终被计入到后一个周期的计数中去，这样就会造成错误。因此，减小时间抖动也是单光子探测器的一个重要目标。商用单光子探测器的时间抖动目前可以减小到200ps.

光子分辨能力指的是当多个光子同时到达探测器时，探测器能否准确给出到达光子的数目。目前大部分类型的单光子探测器都是真空态探测器，只能分辨有或者没有光子到达，而无法分辨到达光子数目。对于目前的线性光学量子计算来说，由于参量下转换的纠缠光源是有概率性的，因此会有同时产生多对光子的情况，从而降低信噪比。如果具有高效率的光子数可解的单光子探测器，将极大地推进光量子的发展。目前主流的单光子探测器：光电倍增管是第一代单光子探测器，工作在盖革模式基于雪崩二极管的单光子探测器，高探测效率极低暗计数超导单光子探测器，基于量子点和半导体缺陷的单光探测器，采用频率上转换将1550nm光子转换成775nm附近光子再用高效率雪崩二极管探测器探测的频率上转换探测器。