摘要光是人類最早的科學(xué)研究對象之一，光子是光的最小能量單元，具備量子的基本特征。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人類已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對單個光子的極限探測。光的常規(guī)探測已經(jīng)普遍應(yīng)用于地面光纖通信中，而光的極限探測則在空間量子通信及深空超遠距離光通信中具備重要的應(yīng)用價值。文章介紹了光極限探測技術(shù)在空間量子科學(xué)實驗、空間光子通信中的典型應(yīng)用及涉及的核心技術(shù)。

1引 言

光是人類生活中必不可少的物質(zhì)，人們對光的認(rèn)知也經(jīng)歷了很長的過程。早在先秦時期，《墨經(jīng)》中就有關(guān)于光的直線傳播與小孔成像的記載[1]。西方經(jīng)過歐幾里得、笛卡爾、費馬等科學(xué)家的研究，總結(jié)了光的反射、折射等定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。17世紀(jì)，牛頓發(fā)現(xiàn)了光的色散現(xiàn)象，并提出了光的“微粒說”。1690年惠更斯提出了光的波動學(xué)說，1801年楊氏雙縫實驗證明了光的波動性。此后，科學(xué)家們圍繞光的波動性和粒子性一直爭論不止[2]。直到1905年，愛因斯坦在光電效應(yīng)實驗的基礎(chǔ)上提出了光子假說[3]，認(rèn)為光既是粒子又是波。光是由光子組成的光子流，光的能量和其頻率成正比，并且光子具有“整體性”，只能被整個地吸收或放出，只有當(dāng)單個光子的能量大于電子的逸出功時，才可以激發(fā)出金屬表面的自由電子，即產(chǎn)生光電效應(yīng)。

根據(jù)光電效應(yīng)原理可以進行光電探測，隨著人們對各類研究的不斷深入，如在量子通信以及超遠距離光通信研究中，由于發(fā)射端的信號源本身非常微弱或者傳輸鏈路的損耗非常大，需要在接收端對各種極微弱的光進行探測，甚至對單個光子進行極限探測。單個光子所產(chǎn)生的光電流很難檢測到，因此在進行單光子探測時，通常使用基于多級倍增原理的光電倍增管，或者基于半導(dǎo)體雪崩效應(yīng)的蓋革模式雪崩二極管，將光電流進行放大以便檢測。此外，還有一種新型的超導(dǎo)納米線單光子探測技術(shù)，由于具有更高的探測效率，更短的死時間和更低的暗計數(shù)率，逐漸成為主流的單光子探測技術(shù)[4]。

本文將圍繞光的極限探測技術(shù)，介紹其在空間量子科學(xué)實驗、空間光子通信中的應(yīng)用，并對我國第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，以及國內(nèi)外的空間光子通信系統(tǒng)進行簡要介紹。

2空間量子科學(xué)實驗

光子是光的最小能量單元，具備量子的基本特征，包括波粒二象性、不可分割、測不準(zhǔn)原理、不可克隆原理等。隨著光子操縱及探測技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一門新的交叉學(xué)科——量子信息學(xué)。量子通信是量子信息學(xué)中發(fā)展最成熟的方向之一，其利用量子力學(xué)原理對量子態(tài)進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，具備信息論安全的特性。量子通信最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大，而且光纖傳輸會引起光子的偏振態(tài)退化效應(yīng)，這使得之前量子通信的世界紀(jì)錄僅為數(shù)百公里量級[5]。因此，如何實現(xiàn)安全、長距離、可實用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學(xué)術(shù)界幾十年來奮斗的共同目標(biāo)。利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴展量子通信距離。同時，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨特優(yōu)勢，是在全球尺度上實現(xiàn)超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。自本世紀(jì)初以來，該方向已成為了國際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點。

2011年底，中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正式立項，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授研究團隊，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、國家空間科學(xué)中心等多個單位成功研制了“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空?！澳犹枴绷孔有l(wèi)星圓滿完成了星地量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)以及隱形傳態(tài)等科學(xué)目標(biāo)[6—8]。衛(wèi)星實物圖及天地量子實驗照片如圖1所示，其中紅色光束代表地面站發(fā)射的信標(biāo)激光，用來給衛(wèi)星指示地面位置，綠色線為衛(wèi)星信標(biāo)光點滑過空間的軌跡。

量子密鑰分發(fā)，顧名思義就是通過量子態(tài)的傳輸，使遙遠兩地的用戶共享密鑰，可利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類已知的不可竊聽、不可破譯的信息論安全的通信方式。量子密鑰分發(fā)實驗采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號、地面接收的方式?！澳犹枴绷孔有l(wèi)星過境時，與地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從500 km到1200 km。衛(wèi)星上量子密鑰光源平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子，平均成碼率1.1 kbps，一次過軌實驗可生成300 kbit的安全密鑰[6]。這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴展到覆蓋全球。

圖2 星地量子密鑰分發(fā)示意圖

圖2為星地量子密鑰分發(fā)的示意圖[6]，系統(tǒng)由衛(wèi)星與光學(xué)地面站兩部分組成。衛(wèi)星過境地面站時通過光學(xué)與跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)建立衛(wèi)星與地面站之間的量子光鏈路。衛(wèi)星作為信號發(fā)射端，通過四個激光器(LD1、LD2、LD3、LD4)結(jié)合偏振棱鏡、分光棱鏡、半波片等產(chǎn)生四個偏振態(tài)(水平、豎直、45°、135°)的激光脈沖，四個激光器根據(jù)隨機數(shù)分時發(fā)光，激光脈沖再經(jīng)過衰減后使得平均脈沖光子數(shù)小于1個，也成為誘騙態(tài)量子光源(圖2(b))。地面站采用大口徑光學(xué)望遠鏡接收衛(wèi)星發(fā)射的微弱光信號，通過分光棱鏡、偏振棱鏡、半波片等對衛(wèi)星量子信號進行偏振解調(diào)，將對應(yīng)偏振態(tài)的光子分別傳送給四個單光子探測器(SPD1—4)測量光子到達時間(圖2(c))?？紤]到衛(wèi)星繞地球運動時引起的雙端偏振基矢方向變化，地面端采用可旋轉(zhuǎn)的半波片校正旋轉(zhuǎn)偏差。衛(wèi)星與地面站根據(jù)特定的量子密鑰分發(fā)協(xié)議(如BB84協(xié)議)開展后續(xù)的密鑰比對與糾錯等步驟，最終生成收發(fā)兩端共享的密鑰。量子密鑰分發(fā)的安全性主要體現(xiàn)在兩個方面：一是由于單光子不可分割，發(fā)射端發(fā)送的光子要么被接收端收到，要么被竊聽者獲取，而只有接收端實際接收到的光子才用來產(chǎn)生最終的密鑰，因此竊聽者獲取不到密鑰信息；二是假如竊聽者技術(shù)先進到可以將發(fā)射端發(fā)送的所有光子全部截獲并復(fù)制后發(fā)送給接收端，由于單光子態(tài)不可克隆，發(fā)射端發(fā)送的單光子偏振態(tài)本來服從一定的概率分布，人為的測量將會影響該偏振態(tài)的分布，通過收發(fā)雙端的密鑰比對系統(tǒng)可以識別出竊聽者的存在。

由于單光子態(tài)不可克隆，無法通過人為測量的方法傳遞單光子態(tài)，量子隱形傳態(tài)技術(shù)利用量子糾纏特性可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精準(zhǔn)傳送到遙遠地點，而不用傳送物質(zhì)本身。地星量子隱形傳態(tài)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式?！澳犹枴绷孔有l(wèi)星過境時，與海拔5100 m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實驗通信距離從500 km到1400 km，所有60個待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限[8]。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖3 地星量子隱形傳態(tài)示意圖

圖3為地星量子隱形傳態(tài)的示意圖[8]，系統(tǒng)同樣由衛(wèi)星與光學(xué)地面站兩部分組成。衛(wèi)星過境地面站時通過激光捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)技術(shù)建立衛(wèi)星與地面站之間的量子光鏈路，衛(wèi)星端包括二維擺鏡、跟蹤相機及快反鏡等，地面端包括信標(biāo)、跟蹤相機、二維轉(zhuǎn)臺等。地面站作為信號的發(fā)射方，配備多光子量子糾纏源(圖3(b))產(chǎn)生糾纏光子對，將其中1路光子通過單模光纖連接跟瞄系統(tǒng)發(fā)送到衛(wèi)星上，其他地面測量。衛(wèi)星上的載荷設(shè)備采用光學(xué)望遠鏡收集地面發(fā)送的光子信號，將信號傳輸給兩路星載單光子探測器(圖3(d))。單光子探測器測量到的光子狀態(tài)用于量子隱形傳態(tài)的信息處理。衛(wèi)星載荷設(shè)備采用高隔離度的分光片、窄帶濾光片以及時間同步技術(shù)降低背景噪聲。

在空間量子科學(xué)實驗中突破了多項核心關(guān)鍵技術(shù)，本文主要介紹與單光子傳輸和探測有關(guān)的兩項技術(shù)：一是單光子探測器在空間環(huán)境中的應(yīng)用；二是高精度星地光路對準(zhǔn)。

單光子探測器在空間環(huán)境中的應(yīng)用一直是國際技術(shù)難題，其難點主要體現(xiàn)在外太空環(huán)境中存在大量高強度的輻射粒子，尤其是質(zhì)子輻射會造成單光子探測器的晶格缺陷，也就是位移總劑量效應(yīng)，從而引起單光子探測器暗計數(shù)的暴增。暗計數(shù)是單光子探測器的固有噪聲與核心指標(biāo)，由于量子通信中有效信號非常微弱，暗計數(shù)成為制約系統(tǒng)信噪比的核心因素。據(jù)輻照實驗評估，不采取特殊措施時太空輻照帶來的單光子探測器暗計數(shù)每天的增量約為300 cps/天(cps是“個/秒”的縮寫)，已超過了空間量子科學(xué)實驗可容忍的上限。

“墨子號”量子衛(wèi)星中采用硅基蓋革模式單光子探測器，根據(jù)機理分析，影響其暗計數(shù)的因素主要有兩個方面：一是空間輻照環(huán)境帶來的微分質(zhì)子能譜，能譜越高暗計數(shù)越高；二是探測器的工作溫度，工作溫度越高，損傷造成的材料漏電流越大，從而暗計數(shù)越高。為此，“墨子號”量子衛(wèi)星中采取了兩種措施：一是在單光子探測器的外圍打造全周的金屬屏蔽體減少空間輻照通量，使用鉭和鋁材料構(gòu)建了等效22 mm的鋁屏蔽，結(jié)果表明可以降低50%以上的質(zhì)子注量；二是創(chuàng)造更低溫的工作環(huán)境，首先采用熱管及冷板將探測器的安裝座熱量傳遞到外太空冷背景空間，將探測器的環(huán)境溫度降低到零下40℃以下，然后再采用半導(dǎo)體制冷器將探測器內(nèi)核溫度進一步降低到零下60℃。通過這些措施，實測單光子探測器在太空中的暗計數(shù)增量降低到了小于1 cps/天[9]，將探測器的可用壽命從幾天提高到了數(shù)年。圖4為“墨子號”量子衛(wèi)星載荷中單光子探測器安裝示意圖及實物圖，四個單光子探測器使用鋁防護體包圍起來，鋁防護體內(nèi)部還有一層鉭屏蔽層，熱管將鋁防護體連接到衛(wèi)星對外太空的冷板上以便于降溫。

圖4 “墨子號”量子衛(wèi)星中的星載單光子探測器

為了降低鏈路損耗，星地量子通信中量子信號的發(fā)散角非常窄，在2角秒左右。星地高精度光路對準(zhǔn)技術(shù)用于在衛(wèi)星高速運動下實現(xiàn)衛(wèi)星同時與兩個地面站的高精度激光鏈路建立，鏈路對準(zhǔn)精度達到0.2角秒。由于衛(wèi)星平臺相對地面站的高速運動以及平臺中的微振動干擾，如何將微弱的量子信號精確地瞄準(zhǔn)地面站是其中的關(guān)鍵問題?！澳犹枴毙l(wèi)星為低軌道衛(wèi)星，在一軌實驗過程中對地面站的可視時間小于10分鐘。以雙站量子實驗任務(wù)為例說明衛(wèi)星同時對兩個地面站的量子鏈路建立過程，如圖5所示。當(dāng)衛(wèi)星位于地面站1水平線以下時開始調(diào)整姿態(tài)，在飛行到地面站1的5°仰角時(B點)完成衛(wèi)星對站指向；在地面站1的15°仰角(C點)前，要求衛(wèi)星與地面站1完成量子光鏈路的建立并保持。相對于地面站2，當(dāng)衛(wèi)星到達地面站2的5°仰角(D點)以上時開始鏈路建立，在地面站2的15°仰角(E點)前完成與地面站2的量子光鏈路建立并保持。當(dāng)衛(wèi)星位于兩個地面站±75°天頂角的交叉區(qū)域(E—F)時進行量子通信，當(dāng)衛(wèi)星飛行出實驗區(qū)域時中斷鏈路。由于低軌衛(wèi)星過站時間短，要求衛(wèi)星載荷對地面站的捕獲時間小于3 s，并滿足實驗過程中的跟蹤范圍要求。

圖5 星地光鏈路建立過程

為了實現(xiàn)衛(wèi)星同時對兩個地面站的鏈路建立，采用衛(wèi)星對站指向和載荷粗、精跟蹤相結(jié)合多級跟蹤架構(gòu)，如圖6所示。衛(wèi)星平臺具備對地面站姿態(tài)機動能力，指向角度根據(jù)衛(wèi)星軌道位置與地面站位置計算得出，指向精度優(yōu)于0.5°。衛(wèi)星配置兩個光機載荷，分別基于二維指向鏡形式與二維轉(zhuǎn)臺形式?；诙S指向鏡的載荷在衛(wèi)星姿態(tài)指向地面站1基礎(chǔ)上，對地面站1進行粗跟蹤與精跟蹤。基于二維轉(zhuǎn)臺的載荷具備獨立大范圍對站指向能力，將載荷望遠鏡指向地面站2，再利用快速反射鏡實現(xiàn)精跟蹤。粗跟蹤精度達到0.005°，精跟蹤精度達到0.00005°。

圖6 星地高精度光路對準(zhǔn)示意圖

3空間光子通信

2021年6月11日，國家航天局公布了“天問一號”祝融號火星車拍攝的著陸點全景、火星地形地貌等影像圖[10]，如圖7所示。隨著我國首次火星探測任務(wù)的開展，航天器指令發(fā)送及收集到的各類觀測數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息的實時回傳對更可靠、性能更優(yōu)越的測控通信技術(shù)提出了要求。但是，微波通信的性能在面向更遠、更快的通信需求時顯得日益窘迫(例如“天問”上搭載的高光譜、超光譜載荷所提供的高分辨率影像實時回傳)，這為空間通信技術(shù)的發(fā)展指明了新的方向。

空間激光通信技術(shù)是利用激光束作為信息載體，實現(xiàn)兩應(yīng)用目標(biāo)間通信的技術(shù)，由于其具有信道容量大、功耗低、體積小、抗擾能力強及無頻譜使用限制等優(yōu)勢，近年來被廣泛應(yīng)用于同步軌道、中低軌道及深空衛(wèi)星等通信任務(wù)中，是解決高速數(shù)傳的有效途徑[11]。

自20世紀(jì)90年代起，空間激光通信技術(shù)進入了飛速發(fā)展的三十年。在歐洲航天局的SILEX系列激光通信實驗中[12]，簡單、低成本的強度調(diào)制/直接探測(IM/DD)方式得到了廣泛應(yīng)用，即按照一定關(guān)系把信息比特映射到特定時間長度的光脈沖中，再利用光電探測器響應(yīng)光輻射強度變化并直接輸出相應(yīng)的電壓和電流來完成信息獲取，這個過程只利用了激光的強度信息。在更遠、信噪比更低的通信場景下，利用激光的相位信息實現(xiàn)通信的相干探測體制則更具優(yōu)勢。在發(fā)射端，信息被加載到光波的幅值、偏振或相位上，從而具有更高的接收靈敏度；接收端則利用本地振蕩器產(chǎn)生的同頻激光和接收信號光進行相干混頻，再通過數(shù)字濾波恢復(fù)基帶信號。2008年，在德國航空航天中心研制的5.625 Gbps相干激光通信終端LCT上，這一技術(shù)首次得到空間應(yīng)用[13]。

作為常規(guī)空間激光通信體制的兩大代表，IM/DD與相干探測各有優(yōu)勢，但是在激光通信面向深空探測的應(yīng)用中，它們?nèi)源嬖诓蝗莺鲆暤亩贪?。以月—地通信鏈路為例，?0萬公里的距離下，按照典型星地終端參數(shù)計算得到的全鏈路通信光損耗達到-90 dB以上。而直探體制一般接收靈敏度在-33 dBm左右，意味著月地通信發(fā)射功率需要達到57 dBm(500 W)，不具備可行性；相干體制的接收靈敏度雖然可以達到-46 dBm，對月發(fā)射功率44 dBm(25 W)的可實現(xiàn)性仍然不高，此外接收系統(tǒng)易受大氣湍流和多普勒頻移效應(yīng)等影響，存在鎖頻不穩(wěn)定的因素。對比上述的兩種方案，單光子通信體制將探測靈敏度提升了2—3個數(shù)量級，只需瓦級功率的激光器即可實現(xiàn)Gbps以上的通信速率，為面向深空的激光通信提供了一條可行之道。

單光子通信技術(shù)在深空通信中目前應(yīng)用最成功的驗證是2013年由美國NASA和MIT Lincoln實驗室合作的月地激光通信演示實驗(LLCD)[14]，該實驗創(chuàng)新性地應(yīng)用了包括高峰值功率光纖發(fā)射機[15]、高效的脈位調(diào)制(PPM)、級聯(lián)Turbo糾錯編碼[16]、超導(dǎo)納米線陣列探測器[17]及地面望遠鏡分集接收等一系列新技術(shù)，實現(xiàn)了月地鏈路上最大速率622 Mbps的下行數(shù)據(jù)傳輸，如圖8所示。此外，將于幾年后實施的美國DSOC計劃[18]和歐洲D(zhuǎn)OCS計劃[19]也將采用類似的方案，在小行星以及日地拉格朗日點等更遠的深空鏈路下(0.25—2 A.U.，1A.U. =1.496×108km)實現(xiàn)較高速(Mbps量級)的激光通信。

圖9為空間光子通信系統(tǒng)的組成示意圖。和一般的激光通信系統(tǒng)類似，空間單光子通信系統(tǒng)包括發(fā)射終端與接收終端兩部分，或者終端將發(fā)射與接收合為一體。發(fā)射端包含信源、編碼、調(diào)制、激光光源、光學(xué)天線以及跟蹤捕獲裝置，接收端包括接收光學(xué)天線、探測器、解調(diào)、解碼、信宿以及跟蹤捕獲裝置。最大區(qū)別在于接收端采用單光子探測器，能夠響應(yīng)相當(dāng)弱的信號光脈沖(幾個光子/脈沖)，因為主要面向深空等衰減巨大的鏈路，因此傳輸信道、調(diào)制編碼方法等與前者也存在一些差別。

圖9 空間光子通信系統(tǒng)示意圖

光子通信中的主要技術(shù)難點體現(xiàn)在三個方面：一是背景光干擾，采用光子探測的激光通信極大地提高了探測靈敏度，但同時背景光的影響相比其他通信體制更嚴(yán)重；二是探測速率受限，受常規(guī)單光子探測器死時間限制，最大計數(shù)速率一般小于50 M/s，為實現(xiàn)Gbps量級的通信速率，需研究提高通信速率的對策；三是超遠距離光鏈路的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)，近地衛(wèi)星的捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)策略將不再適合深空情景，需研究適合深空環(huán)境的跟瞄方案。

高效單光子調(diào)制技術(shù)：由于接收端的光子數(shù)量極為匱乏，很難恢復(fù)出光載波的相位、頻率等信息，因此光子調(diào)制技術(shù)首先需要考慮的就是光子利用效率。一般常用的開關(guān)鍵控(OOK)方式功率利用率低(1比特/脈沖)，且抗干擾能力較差，在超遠距離鏈路下不適用，因而在光子通信中使用功率利用率高的脈沖位置調(diào)制(PPM)方案。PPM調(diào)制將n位二進制數(shù)據(jù)映射到2n個時隙段中的某一個脈沖信號，圖10為4-PPM與OOK的比較示意圖，圖中4-PPM將2位二進制數(shù)據(jù)映射到4個時隙位置中的不同位置，從而只需要一個光脈沖就可以傳遞2個比特的數(shù)據(jù)。此外聯(lián)合偏振信息調(diào)制，還可以成倍提升系統(tǒng)的通信速率。

圖10 強度調(diào)制方式比較：OOK和PPM

高效編解碼技術(shù)：由于通信接收終端對于光子極其敏感，由月球等天體引起的背景噪聲(105—106光子/秒)無法忽視，光子泊松信道下的信號丟失、背景光干擾均會帶來誤碼率提升，因此結(jié)合泊松信道，基于里德—所羅門奇偶校驗碼(RS)、低密度奇偶校驗碼(LDPC)或Turbo卷積碼與高階脈位調(diào)制級聯(lián)的串行級聯(lián)調(diào)制編碼及同步方案(RS-PPM、LDPC-PPM及SCPPM)[20]在深空光子通信信道編碼中得到了廣泛應(yīng)用。SCPPM作為深空激光通信中性能優(yōu)異的編碼方案，與傳統(tǒng)Turbo碼在編碼的內(nèi)外層卷積碼結(jié)構(gòu)及譯碼的內(nèi)外碼概率信息迭代軟判決上有著相似之處，區(qū)別在于交織器(Interleaver)和內(nèi)碼累加器以及解調(diào)作為一個內(nèi)碼整體進行譯碼，同時解決了突發(fā)錯誤、長碼優(yōu)勢和解調(diào)三個問題。采用SCPPM編碼可以實現(xiàn)優(yōu)于1光子/比特的通信靈敏度，并達到優(yōu)于10-7的誤碼率。

高速單光子探測技術(shù)：光子通信對單光子探測的要求主要是光子分辨和探測速率，即具備識別同時到達光子數(shù)的能力，以充分利用信噪比剔除噪聲影響，并且探測死時間足夠小，能夠滿足目標(biāo)通信速率要求。常規(guī)探測器諸如光電倍增管、硅基雪崩單光子探測器、超導(dǎo)納米線探測器(SNSPD)等雖然性能各具優(yōu)勢，但都無法同時滿足高計數(shù)率與光子數(shù)分辨要求，因此目前較有潛力的方法是采用多像元SNSPD陣列和基于光纖分束的蓋革APD多路接收方法[21]。

蓋革模式APD反偏電壓大于二極管的擊穿電壓。當(dāng)光子被吸收產(chǎn)生一個電荷時，電荷倍增(雪崩)直到飽和，飽和電流一般由外部電路限制，電流可以自我維持。在APD能夠響應(yīng)后續(xù)光脈沖前，必須使偏置電壓低于擊穿電壓來終止飽和雪崩電流。

超導(dǎo)納米線探測器是一種新型單光子探測器(圖11)，工作在稍低超導(dǎo)臨界電流的狀態(tài)；其吸收光子形成一個電阻態(tài)區(qū)域，通過檢測這個電阻態(tài)即可以檢測到入射光子利用低溫超導(dǎo)下入射光子帶來的電阻效應(yīng)，具有高探測效率(~90%)、高靈敏度，低噪聲、死時間短(~5 ns)及小抖動的優(yōu)點，多通道交錯排列結(jié)構(gòu)的納米線陣列有望將通信速率提升至數(shù)Gbps的水平，應(yīng)用潛力巨大。

圖11 超導(dǎo)納米線探測光子機理

4總 結(jié)

基于光學(xué)的通信技術(shù)已經(jīng)在地面光纖網(wǎng)絡(luò)中得到成熟應(yīng)用，面向空間環(huán)境的光學(xué)通信成為當(dāng)前國際研究熱點。自從墨子最早記錄光的直線傳播與小孔成像以來，經(jīng)過千年的沉寂，我國終于在空間量子信息技術(shù)方面引領(lǐng)世界，實現(xiàn)了多個國際首次的量子科學(xué)實驗突破，也將光的極限探測技術(shù)提升到了新的臺階。光的極限探測技術(shù)不只用于空間量子通信中的密鑰產(chǎn)生，還可用于直接傳輸信息，我們稱為空間光子通信技術(shù)，其在月球探測中已經(jīng)得到初步驗證并將在未來更遠距離深空探測中具有重要的應(yīng)用前景。光極限探測技術(shù)在空間中的應(yīng)用離不開單光子探測技術(shù)的發(fā)展，同時也促進了單光子探測器的創(chuàng)新與技術(shù)提升，比如近年來發(fā)展迅速的超導(dǎo)納米線探測器陣列就受到空間光通信應(yīng)用的牽引。對光極限探測及應(yīng)用技術(shù)的進一步深入研究無疑能夠帶動多項交叉技術(shù)的突破，促進人類科學(xué)文化的進步。

審核編輯 ：李倩