NASA的PEACOQ探测器可以改变量子计算机交换大量数据的方式

为了帮助形成这样一个网络，美国宇航局喷气推进实验室和加州理工学院的科学家已经开发出一种设备，可以以令人难以置信的精度计算大量的单光子--光的量子粒子。就像测量被消防管喷洒的单个水滴一样，计算光量子的性能增强阵列（PEACOQ）探测器能够测量每个光子击中它的精确时间，在100万亿分之一秒内，速度为每秒15亿光子。迄今为止没有其他探测器能达到这个速度。

PEACOQ项目组成员Ioana Craiciu说："到目前为止，长距离传输量子信息是非常有限的，像PEACOQ这样的新检测器技术，能够以零点几纳秒的精度测量单光子，能够以更高的速率、更远的距离发送量子信息。"他是JPL的博士后学者，也是描述这些结果的研究的主要作者。

这张照片显示了几个PEACOQ探测器在硅片上打印后不久。插入的图片显示了单个PEACOQ的细节。每个PEACOQ探测器都比一角硬币小一点。资料来源：NASA/JPL-Caltech

传统的计算机通过调制解调器和电信网络传输数据，将信息复制成一系列的1和0，也称为比特。然后这些比特通过电缆，沿着光纤，并通过光的闪烁或无线电波的脉冲在太空中传输。当收到时，这些比特被重新组合，以重新创建最初传输的数据。

量子计算机的通信方式不同。它们将信息编码为量子比特--或称量子比特--在基本粒子中，如电子和光子，在不被破坏的情况下不能被复制和重新传输。更加复杂的是，通过光纤传输的量子信息通过编码的光子在短短几十英里后就会退化，大大限制了任何未来网络的规模。

领导JPL超导探测器工作的Matt Shaw在这里检查安装在低温箱上的PEACOQ，该低温箱用于保持探测器工作所需的极低温度。资料来源：NASA/JPL-Caltech

为了让量子计算机超越这些限制进行通信，一个专门的自由空间光量子网络可以包括围绕地球运行的卫星上的空间"节点"。这些节点将通过产生成对的纠缠光子来传递数据，这些光子将被发送到地面上相距数百甚至数千英里的两个量子计算机终端。

一对纠缠的光子是如此紧密地联系在一起，以至于测量一个光子会立即影响到测量另一个光子的结果，即使它们相隔很远。但是，为了让这些纠缠的光子在地面上被量子计算机的终端接收，需要一个像PEACOQ这样的高度敏感的探测器来精确测量它接收每个光子的时间并传递它所包含的数据。

该探测器本身很小。它的宽度只有13微米，由硅芯片上的32根氮化铌超导纳米线组成，连接器呈扇形排列，每根纳米线比人的头发还要细一万倍。

PEACOQ探测器由美国宇航局空间作业任务局的空间通信和导航（SCaN）项目资助，由JPL的微器件实验室建造，必须保持在绝对零度以上的低温，或零下458华氏度（零下272摄氏度）。这使纳米线保持在超导状态，这是它们能够将吸收的光子转化为传递量子数据的电脉冲所需要的。

PEACOQ团队成员站在用于测试探测器的JPL低温恒温器旁边。左起：Alex Walter, Sahil Patel, Andrew Mueller, Ioana Craiciu, Boris Korzh, Matt Shaw, and Jamie Luskin. 资料来源：NASA/JPL-Caltech

尽管该探测器需要对单光子有足够的敏感度，但它也被设计成能够承受一次被许多光子击中。当探测器中的一根纳米线被一个光子击中时，它暂时无法检测到另一个光子--这段时间被称为"死期"--但每根超导纳米线都被设计为具有尽可能少的死期。此外，PEACOQ配备了32根纳米线，以便在一根纳米线"死亡"时，其他纳米线可以接替它。

Craiciu说："在短期内，PEACOQ将被用于实验室实验，以展示更高的速率或更远的距离的量子通信。从长远来看，它可以为我们如何在世界各地传输量子数据的问题提供一个答案。"

PEACOQ是美国宇航局为实现太空和地面之间的自由空间光通信所做的更广泛努力的一部分，它是基于为美国宇航局的深空光通信（DSOC）技术演示所开发的探测器。DSOC将在今年晚些时候与美国宇航局的Psyche任务一起发射，首次演示地球和深空之间的高带宽光通信在未来如何运作。

领导这项研究的Ioana Craiciu站在用于测试PEACOQ的低温器旁边，该低温器的温度低至绝对零度以上。在这个温度下，探测器处于超导状态，允许其纳米线将吸收的光子变成电脉冲。

资料来源：NASA/JPL-Caltech

虽然DSOC不会传递量子信息，但其位于南加州加州理工学院帕洛玛天文台的地面终端需要同样的极端敏感度，以便在DSOC收发器穿越深空时计算通过激光到达的单光子。

领导JPL超导探测器工作的马特-肖说："这都是一种带有新类别探测器的相同技术。无论该光子是用量子信息编码，还是我们想从深空的激光源中探测单光子，我们仍然在计算单光子。"