آشکارساز تک فوتون (SPD) یک دستگاه پیشرفته-در قلب فوتونیک و فناوری کوانتومی مدرن است. مشخصه تعیین کننده آن توانایی تشخیص حضور یک فوتون است. این قابلیت آن را در زمینه هایی مانند شمارش فوتون، ارتباطات کوانتومی، LiDAR، طیف سنجی فلورسانس، مشاهدات نجومی و محاسبات کوانتومی ضروری می کند. ویژگی های کلیدی آشکارسازهای تک فوتون را می توان به شرح زیر بیان کرد.
اول، حساسیت فوق{0}بالا ویژگی اساسی SPD است. آشکارسازهای نوری معمولی معمولاً به شدت خاصی از نور نیاز دارند تا پاسخی قابل اندازهگیری ایجاد کنند، در حالی که یک SPD میتواند به ورود یک فوتون منفرد{2}}کوچکترین کوانتوم انرژی نور پاسخ دهد. این امر از طریق مکانیسمهای داخلی مانند دیودهای نوری بهمن (APD) که در حالت گایگر کار میکنند، به دست میآید، که در آن یک رویداد فوتون منفرد یک پالس جریان بهمن قابل اندازهگیری را از طریق اثر ضرب بهمن ایجاد میکند. این حساسیت اندازه گیری را در شرایط نور بسیار کم- امکان پذیر می کند.
دوم، وضوح زمانی استثنایی یکی دیگر از ویژگی های مهم است. آشکارسازهای تک فوتون، به ویژه آشکارسازهای تک{1}فوتونی نانوسیمی ابررسانا (SNSPDs) و فتو ضربکنندههای سیلیکونی (SiPMs)، لرزش زمانبندی را به ترتیب پیکوثانیه (ps) نشان میدهند. این به آنها اجازه می دهد تا زمان رسیدن یک فوتون را دقیقاً نشان دهند. در توزیع کلید کوانتومی (QKD)، این دقت برای تشخیص دقیق فوتون های سیگنال استفاده می شود. در LiDAR، وضوح فاصله در سطح میلی متری را فعال می کند. و در تصویربرداری طول عمر فلورسانس، تجزیه و تحلیل دقیق فرآیندهای فروپاشی فلورسانس را تسهیل می کند.
سوم، نویز کم و نسبت سیگنال{0}به-بالا ضروری است. یک آشکارساز تک فوتون ایده آل باید نرخ شمارش تاریکی را به حداقل برساند (شمارش کاذب ایجاد شده توسط نویز در غیاب فوتون های سیگنال). به عنوان مثال، SNSPD ها می توانند به نرخ تاریکی زیر 1 شمارش در ثانیه دست یابند که تا دمای برودتی سرد شوند. به طور همزمان، بازده تشخیص فوتون بالا (PDE)-نسبت فوتون های شناسایی شده به فوتون های فرود-یکی دیگر از معیارهای اصلی است. SPD های مدرن به PDE های بیش از 90 درصد در طول موج های خاص (به عنوان مثال، باند مخابراتی 1550 نانومتر یا محدوده مرئی) دست یافته اند. نویز کم و راندمان بالا با هم نسبت سیگنال{14}به-بالایی را هنگام استخراج سیگنالهای ضعیف تضمین میکنند.
چهارم، زمان مرده و نرخ شمارش پارامترهای مهمی هستند{0}. زمان مرده به دوره مورد نیاز برای بازیابی حساسیت آشکارساز پس از یک رویداد تشخیص اشاره دارد که حداکثر نرخ شمارش را محدود می کند. فنآوریهای مختلف SPD در اینجا نقاط قوت متفاوتی دارند: APDها زمانهای مرده نسبتاً طولانی دارند (دهها نانوثانیه)، در حالی که SNSPD و SiPM میتوانند به زمانهای مرده کوتاهتری دست یابند، و از نرخهای بالاتر مناسب برای ارتباطات کوانتومی با سرعت بالا یا نظارت بر فرآیندهای پویا پشتیبانی میکنند.
علاوه بر این، محدوده پاسخ طیفی با مواد آشکارساز متفاوت است. SPDهای مبتنی بر سیلیکون{1}}در درجه اول طیف مرئی به نزدیک-مادون قرمز (تقریباً 300-1000 نانومتر) را پوشش میدهند، در حالی که دستگاههای InGaAs/InP برای باندهای ارتباطی 1310 نانومتر و 1550 نانومتر مناسب هستند. SNSPD ها را می توان به گونه ای طراحی کرد که با استفاده از مواد ابررسانای مختلف (به عنوان مثال، NbN، WSi) به طول موج های مادون قرمز میانی یا حتی گسترده تر گسترش یابد. این انعطاف پذیری اجازه می دهد تا با نیازهای طیفی برنامه های مختلف سازگار شود.
در نهایت، شرایط عملیاتی و سطح یکپارچگی ویژگی های قابل توجهی هستند. برخی از SPD ها (مانند SNSPD ها) به سیستم های خنک کننده برودتی پیچیده نیاز دارند که قابلیت حمل آنها را محدود می کند. در مقابل، SPDهای جدید (مانند CMOS-آرایههای دیود بهمنی تکی{3} فوتون سازگار) به سمت عملکرد دمای اتاق، کوچکسازی-یکپارچهسازی تراشهها پیش میروند و راه را برای پردازندههای کوانتومی در مقیاس بزرگ-و دستگاههای سنجش فشرده هموار میکنند.
در مجموع، این ویژگیهای آشکارسازهای تک فوتون، پیشرفتهایی را در زمینههای متعدد ایجاد کردهاند. در علم اطلاعات کوانتومی، آنها بلوک های سازنده ارتباطات کوانتومی ایمن و محاسبات کوانتومی نوری هستند. در علوم زیستی، آنها تشخیص فلورسانس تک مولکولی-را امکان پذیر می کنند. در حسگرهای برد بلند و ارتباطات فضایی عمیق، سیگنالهای نوری بسیار ضعیفی را میگیرند. با تحقیقات مداوم در مورد مواد جدید (مانند مواد دوبعدی) و معماریهای جدید (مانند آشکارسازهای یکپارچه راهنمای موج)، آشکارسازهای تک فوتون به سمت بازدهی بالاتر، نویز کمتر، دامنههای طیفی وسیعتر و آرایههای{9}در مقیاس بزرگتر تکامل مییابند. آنها همچنان نقشی محوری در کاوش محدودیت های جهان فوتون ایفا خواهند کرد.