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单光子探测器及量子密钥分配

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量子密钥分配中的一项关键技术就是在其通信窗口实现单光子探测。单光子探测器的性能决定着量子密钥分配系统的性能。高性能的超导纳米线单光子探测器的应用地提高了量子密钥分配的速率和距离。

探测器类型

重复频率 /GHz

探测效率 /%

暗计数

(counts/s)

密钥速率与距离 /km

km


InGaAs-APD


1.036


6


3000

2.37 Mb/s, 5.6

29.79 kb/s, 65.5


~110


UP-SPD


10


0.27


650

267 kb/s, 10

3.7 kb/s, 105


~120


TES


2.5×10-3


33


3

28 b/s, 85

14 b/s, 100


~200


SSPD


10


0.7


<10

17 kb/s, 105

12.1 b/s, 200


~240


从表中可以看出,单光子探测器的探测效率、响应速率(重复频率)以及暗计数速率直接决定着量子密钥的生成速率和分配距离。探测器的暗计数速率越低,密钥的传输距离就越长。探测器的重复频率和探测效率越高,密钥的生成速率就越大。这些实验数据充分说明,在目前的技术条件下,短距离范围内(~10 km) 的量子密钥分配速率达到兆比特每秒和长距离范围内(~100 km)的量子密钥分配速率达到千比特每秒数量级是可行的。


从性能上来看,超导体单光子探测器已经远远超越了半导体单光子探测器,它的成功研制促进了量子信息技术的发展。但从实用性方面考虑,超导体单光子探测器需要低的温度环境,这些复杂的低温系统使得探测器体积及价格不利于实用化,因此,在目前半导体单光子探测器具有一定的实用优势。另外,对基于微弱相干脉冲的量子密钥分配系统来说,改进量子密钥分配方案可以有效地提高系统的性能。特别是,基于具有分辨光子数能力的超导体单光子探测器,量子密钥分配方案还有待于进一步优化,这些改进后的量子密钥分配方案应比目前的方案更优越。



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