中国科大在小型化量子通信系统研制方面实现技术突破

近日，中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张军等在国际上首次实现1.25 GHz InGaAs/InP单光子探测器单片集成读出电路，该技术突破可使高速量子通信终端设备中体积占比最大的探测器模块尺寸减小一个数量级以上，为未来研制小型化量子通信系统奠定了重要的器件基础。相关成果发表在《光学快报》上。

单光子探测器是微弱光测量最灵敏的仪器，在量子信息、激光雷达、光纤传感、生物荧光探测等领域有广泛的应用需求。在量子通信系统中，通信波段单光子探测器是核心器件，其性能直接决定了通信距离、通信速率等关键参数。目前主流的通信波段单光子探测解决方案包括上转换单光子探测器、超导纳米线单光子探测器和InGaAs/InP雪崩二极管单光子探测器。InGaAs/InP单光子探测器具有成本低、体积小、无需超低温制冷等优势，已在实用化量子通信等领域得到广泛应用。

提高门控工作频率、提升系统集成度是InGaAs/InP单光子探测器研究方向上最重要的技术挑战。2012年以前，我国所有的量子通信网络中使用的该类型探测器工作频率均不超过10MHz，严重制约了通信距离和通信速率。潘建伟团队通过发展正弦门控、集成滤波、后脉冲精确标定等一系列关键技术，2012年在国际上首次研制出板级集成的1.25 GHz InGaAs/InP单光子探测器，将工作频率提升了两个数量级以上，探测器系统体积降为2U标准机箱尺寸。此后，该团队进一步研制出符合电信工业标准的四通道集成高速单光子探测器板卡，再次提升了探测器系统集成度。这些高速探测器率先在国家高技术研究发展计划（863计划）“光纤量子通信综合应用演示网络”中远距离试验床和“济南量子通信试验网”等网络中进行长期测试，整体性能和稳定性得到有效验证，并在量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目中得到规模化的应用。

针对未来对小型化量子通信设备的迫切需求，需要进一步减小高速单光子探测器的体积。为此，潘建伟团队在上述研究基础上，进一步发展了新型微弱雪崩信号提取技术，并利用低温共烧陶瓷（LTCC）技术，最终研制出1.25GHz单光子探测器的单片集成读出电路芯片，尺寸为15mm×15mm。该芯片应用于探测器系统后，经性能表征，-50℃条件下探测效率为27.5%、暗计数为1.2kcps，与采用板级集成的读出电路的测试结果几乎一致，芯片的功能特性得到验证。对该芯片进行70小时的连续性测试，指标参数保持不变，芯片的稳定性得到验证。

下一步，利用光电集成技术，可实现上述单片集成读出电路芯片与InGaAs/InP雪崩二极管芯片和微型热电制冷器的混合集成，形成高速单光子探测器集成组件，并与探测器系统附属电路相结合，最终实现一体化集成的微型高速单光子探测器模块。经测算，与现有同功能高速单光子探测器相比，该模块体积可减小20倍，这为小型化量子通信系统的研制提供有力支撑。

研究工作得到了科技部、自然科学基金委、教育部、中科院等的资助。