浮思特 | 超导与半导体单光子探测器：量子通信中的技术博弈

近日，英国创新署宣布启动MARCONI项目，旨在研发量子密钥分发(QKD)接收器。面对当前网络安全威胁，该机构正通过两项技术推动QKD网络建设，以期构建覆盖英国的全域安全量子通信网络。作为终端设备，这些接收器通过单光子探测器(图1)实现量子密钥的解码与处理——该装置能精确测量携带加密量子密钥的单个光子量子态。

图1

 

SPAD与SNSPD系统对比

 

在QKD网络的小型化部署和短距离通信场景中，四通道单光子雪崩二极管(SPAD)系统具有适用优势。SPAD利用偏置在击穿电压之上的半导体PN结，当光子撞击时产生的电子雪崩效应可生成可检测电信号。而英国创新署计划开发的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)则面向大规模长距离应用，其核心是超导纳米线(图2)——光子引发的超导态破坏会产生电压脉冲。

图2

 

以下是两种探测器的简要对比：

表1

 

光子探测效率

 

SPAD的典型探测效率为10-30%，新型半导体材料的研发正推动其性能提升。但其暗计数率(反映系统噪声)高达100Hz以上，显著高于超导探测器。尽管存在局限，SPAD因室温即可工作(无需复杂冷却系统)仍具独特优势。

 

SNSPD的探测效率普遍超过90%，暗计数率低于1Hz。这些特性使其在深空光通信、量子计算及长距QKD等低噪声要求的领域具有特殊价值。其高效性源于低温环境极大抑制了背景噪声，但高昂的成本和系统复杂性制约了广泛应用。

 

可扩展性分析

 

就规模化部署而言，SPAD因室温工作特性更具优势——无需SNSPD所需的昂贵低温冷却系统，更易实现商业化。成熟的半导体制造工艺也为SPAD的大规模生产奠定了基础。反观SNSPD，其超低温要求带来显著的可扩展性挑战，目前仅适用于高级研究设施。微型高效低温恒温器的研发或将改变这一局面，MARCONI项目正探索SPAD与SNSPD的混合解决方案，以平衡成本、性能与扩展性。

 

技术发展与挑战

 

量子传感领域的核心课题是以最小成本实现最优探测效率。碳化硅(SiC)、砷化铟镓等半导体材料的进步正提升SPAD的室温性能，研究人员也在持续优化半导体结构以提高光子捕获率。

 

对SNSPD而言，低温冷却仍是关键瓶颈。当前研究聚焦于微型化低温恒温器和新超导材料开发，以期降低工作温度门槛。若实现可扩展的低温技术，SNSPD的工业应用前景将大幅拓宽。

 

核心结论

 

探测器选择取决于具体应用对性能与规模的权衡。虽然SNSPD目前主导高精度领域，但SPAD可能开启室温量子技术的新纪元。随着材料与冷却技术的突破，SPAD或将进军高性能应用市场。在量子计算领域，多家企业正尝试将SNSPD集成至光子芯片并开发大型低温系统;而SPAD展现的室温量子计算潜力则更具商业化吸引力。未来，探测器精度与扩展性的平衡发展将深刻影响光量子计算与通信的演进轨迹。