High-efficiency and low-jitter Silicon single-photon avalanche diodes based on nanophotonic absorption enhancement
硅单光子雪崩二极管（SPAD）是在可见光和近红外范围内进行单光子探测的核心器件，在许多应用中得到了广泛的应用。然而，由于目前硅SPAD的结构设计和器件制造的限制，检测效率和定时抖动的关键参数往往被迫妥协。在这里，我们提出了一种纳米结构的硅SPAD，它实现了高检测效率，同时在很宽的光谱范围内具有出色的定时抖动。与传统的硅SPAD器件相比，光学和电学模拟显示出显着的性能增强。这种纳米结构的器件可以很容易地制造，因此非常适合于实际应用。
2015-05-06 cond-mat.mes-hall physics.ins-det physics.optics
Reply to "Comment on `Resilience of gated avalanche photodiodes against bright illumination attacks in quantum cryptography'"
这是对Lydersen等人评论的回复[arXiv：1106.3756v1]。
2011-09-14 physics.ins-det quant-ph
Afterpulsing model based on the quasi-continuous distribution of deep levels in single-photon avalanche diodes
我们已经进行了一个统计特性的影响afterpulsing在一个自由运行的硅单光子探测器通过测量响应于脉冲照明的afterpulse等待时间的分布和拟合它的指数的总和。我们表明，可以得到一个高度的拟合优度的5个指数，但估计的特征时间的物理意义是可疑的。我们表明，一个连续的极限之间的限制时间的均匀密度的指数的总和给出了良好的拟合结果在整个范围内的检测器响应函数。这意味着在某些探测器中，后脉冲是由光电探测器有源区中的深能级的连续带引起的。
2017-03-25 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Time-dependent POVM reconstruction for single-photon avalanche photo diodes using adaptive regularization
我们报告的第一个实现的时间相关的量子探测器层析成像商用InGaAs雪崩光电探测器。为了从实验测量数据中构造适当的时间依赖POVM，我们引入了一种新的方案来计算正则化项的权重。我们将我们基于POVM的结果与Gouzien等人先前开发的模型的理论预测进行了比较。与我们基于测量构建的光子探测器的时间依赖POVM相比，这个先前的研究将与时间无关的POVM扩展到时间-通过包括基于关于光子的内部物理机制的特定模型假设的检测器定时抖动和死区时间的影响检测器我们的实验结果表明，后者的方法是不足以完全描述我们的InGaAs雪崩光电探测器的可观察到的属性。因此，通过直接量子层析测量构建检测器的时间相关POVM可以揭示关于检测器内部的信息，这些信息可能不容易通过先验模型假设包含在时间无关POVM中。
2021-10-20 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Imaging entanglement correlations with a single-photon avalanche diode camera
两个光子之间的空间相关性是实现许多量子成像方案的关键资源。双光子相关图的测量通常使用基于CCD技术的单点扫描检测器或单光子相机来执行。然而，这两种方法由于基于CCD的相机的慢扫描和低帧速率而在速度上受到限制，导致数据采集时间在许多小时的量级上。在这里，我们采用了高帧速率，单光子雪崩二极管（SPAD）相机，测量自发参数下转换产生的双光子状态的空间联合概率分布，在短短140秒内获得的$10^7$帧的统计。我们通过违反爱因斯坦-波多尔斯基-罗森准则验证了光子对之间存在空间纠缠，置信水平为227 sigmas。我们的工作证明了SPAD相机在快速表征光子相关性方面的潜力，为实时量子成像开辟了道路。
2020-08-12 quant-ph
Resilience of gated avalanche photodiodes against bright illumination attacks in quantum cryptography
在量子密钥分发中，半导体雪崩光电二极管（APD）通常用于单光子探测。最近，已经提出了许多使用明亮照明的攻击来操纵门控InGaAs APD。为了制定有效的应对措施，必须对这些攻击进行仔细分析，以区分不正确的操作和真正的漏洞。在这里，我们证明了正确操作的门控APD对连续波照明攻击具有免疫力，而监测光电流的过高值是针对使用时间定制光的攻击的直接对策。
2011-06-14 physics.ins-det quant-ph
2.23 GHz gating InGaAs/InP single-photon avalanche diode for quantum key distribution
我们实现了用于单光子检测的InGaAs/InP单光子雪崩二极管（SPAD），其迄今为止报道的最快门控频率为2.23 GHz，接近SPAD带宽给定的极限- 2.5 GHz。我们提出了一个有用的方法来表征的afterpulsing的快速门控，可以很容易地与传统的门控制度的比较分布。在相干单向量子密钥分发（QKD）协议中，我们比较了这种快速选通方案与自由运行探测器和超导单光子探测器（SSPD）的性能。快速选通系统非常适合于高速率和长距离QKD应用，其中Mbps密钥速率可以在小于40 km的距离下以50 ns的死区时间实现，并且最大距离被限制为~ 190 km，具有5 $μ$ s的死区时间。这些结果表明后脉冲不再是QKD的限制因素。
2010-02-17 quant-ph
A Near-Infrared Enhanced Silicon Single-Photon Avalanche Diode with a Spherically Uniform Electric Field Peak
采用定制的0.13 $μ$ m CMOS工艺制作了近红外增强型硅单光子雪崩二极管（SPAD）。SPAD的耗尽吸收体积约为15 $μ$ m × 15 $μ$ m × 18 $μ$ m。吸收区中产生的电子通过漂移有效地传输到直径为2 $μ$ m的中心有源雪崩区。在工作电压下，有源区包含球形均匀的场峰值，使得来自器件所有角落的电子能够倍增。SPAD架构的优点包括高NIR光子探测效率（PDE）、基于漂移的传输、低后脉冲以及与集成CMOS读出的兼容性。制造并表征了一种前侧照明装置。SPAD在波长905 nm处的PDE为13%，在13 ns的死时间下的后脉冲概率< 0.1%，并且在室温下的中值暗计数率（DCR）为840 Hz。该器件显示出良好的性能，飞行时间的应用，受益于均匀的近红外敏感SPAD阵列。
2021-05-12 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Dead time duration and active reset influence on the afterpulse probability of InGaAs/InP single-photon avalanche diodes
我们已经进行了详细的研究InGaAs/InP正弦门控SPAD的后脉冲概率的依赖于死时间和现有的方法，其实现。我们演示了一个电气方案相结合的正弦门控和主动复位。我们已经表明，当这样的解决方案是有益的，从密钥分配的角度来看，并足以使用一个简单的计划与抢夺比较。我们还提出了一种精确的测量后脉冲的方法，并提出了一个模型描述这种效应的非马尔可夫动态。我们已经证明，我们的afterpulsing测量方法，使这些测量较少依赖于二极管的流量和激光脉冲功率的变化，在本文中考虑的其他方法相比，参数。
2022-04-01 quant-ph
Recent advances and future perspectives of single-photon avalanche diodes for quantum photonics applications
由于利用单光子作为量子信息载体的诸多优势，光子量子技术有望带来信息处理领域的一场革命，从模拟和计算到通信和传感。在这种情况下，单光子探测器起着关键作用。一方面，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）能够在宽光谱范围内提供卓越的性能，但其适用性往往受到低温工作温度的限制。另一方面，单光子雪崩二极管（SPAD）通过在室温或略低于室温下提供有效的替代方案，克服了SNSPD的固有限制。在本文中，我们回顾了SPAD操作的基本原理，我们提供了一个彻底的讨论，在这一领域取得的最新进展，比较这些设备的性能与量子光子学应用的要求。最后，我们总结了光子量子信息处理领域的前景和不败之路，并展望了未来。
2020-10-12 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Strong pulse illumination hacks self-differencing avalanche photodiode detectors in a high-speed quantum key distribution system
实现高速量子密钥分发是量子密钥分发领域的研究热点之一，它为应用提供了高的密钥生成速率。为了实现高速QKD，定制的技术被开发并用于快速生成和检测量子态。然而，这些技术可能会引入独特的漏洞，危及QKD系统的安全性。本文研究了量子密钥分发系统中用于高速探测的自差分雪崩光电二极管（APD）探测器存在的漏洞，并对SD APD探测器在强脉冲光照下的性能进行了实验测试。这种攻击具有盲稳定性，并有助于窃听者在不引入额外QBER的情况下学习密钥。基于此测试，我们提出了一套标准，保护SD APD探测器免受强脉冲照明攻击。
2022-05-09 quant-ph
Room-temperature photonic quantum computing in integrated silicon photonics with germanium-silicon single-photon avalanche diodes
针对光子量子计算依赖低温超导探测器的问题，提出室温波导集成GeSi SPAD及空间复用型PNRAD，结合片上量子光源与可编程干涉回路，有望实现室温高性能光子量子计算。
2024-08-26 physics.ins-det quant-ph
Single-shot high-resolution spectroscopy of single-photon-level optical pulses using a virtually imaged phased-array and single-photon avalanche diode array
本文提出并实验验证了一种结合VIPA频率到空间模式映射与SPAD阵列空间模式检测的单次高分辨率单光子光谱系统，其120 MHz频率模式间隔与掺Pr$^{3+}$离子的Y$_2$SiO$_5$原子频率梳量子存储器相匹配，有望最大化频率复用量子中继器的多路复用能力。
2025-06-23 quant-ph
Design considerations of high-performance InGaAs/InP single-photon avalanche diodes for quantum key distribution
InGaAs/InP单光子雪崩二极管（SPAD）广泛应用于需要近红外光子计数的实际应用中，例如量子密钥分发（QKD）。光子探测效率和暗计数率是InGaAs/InP SPAD的内在参数，这是由于在相同的操作条件下，使用不同的猝灭电子器件不能提高它们的性能。在对这些参数进行建模并开发了InGaAs/InP SPAD的仿真平台后，我们研究了半导体结构的设计和优化。光子探测效率和暗计数率的参数高度依赖于吸收层厚度、倍增层厚度、过偏压和温度等变量。通过评估诱饵态QKD的性能，可以全局优化SPAD设计和操作的变量。从具体应用的角度进行优化，可以为设计高性能InGaAs/InP SPAD提供一种有效的途径。
2016-08-23 physics.ins-det quant-ph
Detection of Single Molecules Illuminated by a Light-Emitting Diode
单分子的光学检测和光谱学已经成为生物成像和传感中不可或缺的工具。它的成功是基于有机染料分子在精心设计的激光照射下的荧光。在本文中，我们演示了在宽视场显微镜上的单分子的光学检测，其照明基于市售的绿色发光二极管。在相同的实验配置中的激光照明的结果进行了直接比较。的设置和限制因素，如光传输到样品，光谱过滤和由此产生的信噪比进行了讨论。一个理论和实验的方法来估计这些参数。该结果可适用于其他单发射器和照明方案。
2011-01-14 physics.chem-ph physics.optics quant-ph
Hacking single-photon avalanche detector in quantum key distribution via pulse illumination
量子密钥分发（QKD）在理论上已被证明是信息论安全的。不幸的是，在实践中不完善的设备危及其安全性。因此，为了提高实际QKD系统的安全性能，常用的方法是修补现有QKD系统中的漏洞。然而，在这项工作中，我们展示了对手利用补丁本身的不完美绕过补丁的能力。具体来说，我们的实验证明，在测试下的检测器，补丁的光电流监测器对检测器致盲攻击可以击败本文提出的脉冲照明攻击。分析了脉冲光照攻击下的密钥速率，从理论上证实了Eve可以通过攻击来学习密钥。这项工作表明了检查检测单元中的安全漏洞以进一步了解它们对QKD系统的影响的重要性。脉冲照明攻击方法可以作为量子密钥分配安全性评估标准中的一个通用测试项目。
2020-08-03 quant-ph
Laser-written reconfigurable photonic integrated circuit directly coupled to a single-photon avalanche diode array
Dipartimento di Fisica, Politecnico di Milano（米兰理工大学物理系）；Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, Consiglio Nazionale delle Ricerche（国家研究委员会光子和纳米技术研究所）
本研究提出了一种激光写入的可重构光子集成电路与单光子雪崩二极管阵列的直接耦合方案，实现了高探测效率和紧凑设计，为量子光子学实验提供了新途径。
2025-12-06 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Fluorescence Detection of a Trapped Ion with a Monolithically Integrated Single-Photon-Counting Avalanche Diode
我们报告的第一个演示的荧光检测使用单片集成的微加工表面离子阱的单光子雪崩光电二极管（SPAD）。SPAD定位在离子的捕获位置下方，并且被设计成检测从单个$^{174}$ Yb $^+$和$^{171}$ Yb $^+$离子发射的370 nm光子。我们实现了对$^{174}$ Yb $^+$的离子/非离子检测保真度为0.99，平均检测窗口为7.7（1）ms。我们报告在室温操作下暗计数率低至1.2 kHz。保真度受到激光散射、暗计数和加热的限制，这阻止了将离子直接保持在SPAD上方。我们测量计数率从每个贡献源和荧光作为离子位置的函数。基于有效检测器面积并使用离子作为校准光源，我们估计SPAD量子效率为24 $\pm$ 1%。
2021-07-07 physics.ins-det quant-ph
Avalanche-like behavior of up-conversion luminescence by nonlinear coupling of pumping rates
在这里，我们报告和讨论的雪崩样的上转换行为的雪崩。实验上观察到铒离子在绿波段上转换发光强度随二极管激光器泵浦强度变化的曲线斜率发生了显著变化。这种变化是光子雪崩的典型特征。然而，铒离子的浓度不足以在它们之间进行有效的能量交换，并且不可能激发光子雪崩。使用一个简单的三能级近似的上转换过程模型，我们已经表明，所观察到的雪崩式发光过程中也可以发生在没有光子雪崩，由于铒离子的两个泵浦通道的效率之间的非线性关系所造成的强度依赖性的吸收。
2019-12-10 physics.optics quant-ph
A minimalist self-differencing gating scheme for dead-time-free single-photon avalanche diodes at high repetition rate
提出一种基于自差分技术的简化正弦波门控SPAD方案，实现100 MHz高重复率下无死时间运行，具有实现简单、偏置控制精确和信噪比高的优点。
2025-09-26 physics.ins-det quant-ph
Comparative study of afterpulsing behavior and models in single photon counting avalanche photo diode detectors
雪崩光电二极管（APD）等单光子探测器在量子密钥分发、激光测距、荧光显微镜等领域具有重要的应用价值。后脉冲是APD在盖革模式下工作时的一种典型的非理想行为，它对测量探测事件的数量或时序的应用产生不利影响。一些相互矛盾的研究试图建立后脉冲行为的模型，并将其与基础半导体物理学联系起来。在这里，我们描述了我们在来自3个制造商的至少2个不同的探测器上进行的实验，这些探测器都是量子光学装置中常用的。我们报告计数的时间结构。通过对这些数据拟合不同的模型，我们发现所使用的检测器之间存在统计学上的显著差异。此外，我们报告高阶后脉冲的存在下，不占任何标准模型的后脉冲行为。这可能在例如量子密钥分发系统中具有重要意义，因为对使用中的设备的建模将必须是某些系统的安全分析的一部分。制造商之间的显著差异，甚至相同制造商和批次的看似相同的探测器之间的显著差异表明每个探测器都需要校准。我们描述了一个可靠的程序来执行这样的校准，并提出了我们的研究结果对三种不同的商业产品。
2017-12-11 physics.ins-det quant-ph
An Ultra-Low Noise Telecom Wavelength Free Running Single Photon Detector Using Negative Feedback Avalanche Diode
在1550 nm波长范围内实现真正的自由运行单光子探测器，同时具有高探测效率（DE），低暗噪声和良好的时间分辨率，这是具有挑战性的。我们报告了一种新的读出系统的信号从负反馈雪崩二极管（NFAD），它允许这些设备在193 K的温度下，并在非常低的暗计数（~100 CPS），良好的时间抖动（~30 ps），良好的DE（~10%）的结果有用的操作。利用弱相干光脉冲（WCP）产生的光子和自发参量下转换（SPDC）产生的光子对，用时间相关方法对两个NFAD进行了表征。这两种类型的光子源的推断探测器效率彼此一致。器件的最佳噪声等效功率估计为8.1 × 10^（-18）W Hz^（-1/2），比典型InP/InGaAs SPAD在自激模式下的噪声等效功率高10倍以上。后脉冲的概率被发现是小于0.1%每纳秒在优化的工作点。此外，我们研究了使用这些检测器的基于纠缠的量子密钥分发（QKD）的性能，并开发了一个模型的量子误码率（QBER），其中包括后脉冲系数。我们通过实验验证了使用这些NFAD在400 km的电信光纤上实现QKD是可行的。我们的NFAD光子探测器系统非常简单，非常适合需要超低噪声和自由运行操作的单光子应用，并且可以容忍一些后脉冲。
2012-05-31 physics.ins-det quant-ph
Avalanche Photo-Detection for High Data Rate Applications
雪崩光电探测通常用于需要单光子灵敏度的应用中。我们研究的限制，使用雪崩光电二极管（APD）的光子统计特性在高数据速率。为了识别线性APD操作的制度，我们采用了ps脉冲二极管激光器，重复频率在0.5MHz和80MHz之间。我们修改的平均光功率的相干脉冲通过应用不同水平的良好校准的衰减。在高重复率下的线性受到APD死时间的限制，并且由于多光子事件，在较高的光子数下出现非线性响应。假设输入光的泊松统计，我们确定的有效平均光子数的入射光与高精度。时间多路复用探测器（TMD）允许通过光子斩波来实现光子数分辨率。这种检测设置将线性响应函数扩展到更高的光子数，并且可以使用统计方法来补偿非线性。我们研究了这种效应，将其与单个APD的情况进行比较，并显示了卷积处理在TMD数据分析中的有效性。
2007-09-19 quant-ph
Tailored bright illumination attack on distributed-phase-reference protocols
对量子密钥分发系统的探测器控制攻击利用了单光子探测器中雪崩光电二极管的线性模式。到目前为止，正在审议的议定书是BB84议定书及其衍生物。在这里，我们提出了如何明亮的定制照明利用线性模式的检测器可以用来窃听分布式相位参考协议，如差分相移和相干单向。
2010-12-20 quant-ph
Quantum Random Number Generator based on Tunneling effects in Si Diode
在此之前，我们用InGaAs单光子雪崩二极管搭建了一套无光子量子随机数发生器（QRNG）。我们利用了量子隧穿效应的随机性。在这里，我们利用硅二极管中的隧穿信号来实现量子随机数发生器。在我们的实验中，我们没有像在InGaAs QRNG中那样在二极管之间施加周期性脉冲，而是施加固定电压并检测相邻隧穿信号之间的时间间隔，作为随机源。这种Si QRNG在其原始数据的随机性方面具有很高的性能，并且几乎没有后处理。实验中的数据传输速率为6.98MB/s，如果对温控系统进行改进，数据传输速率可以达到23 MB/s。
2018-05-27 quant-ph
Advances in InGaAs/InP single-photon detector systems for quantum communication
单光子探测器（SPD）是最灵敏的光探测仪器。在近红外范围内，基于III-V族化合物半导体雪崩光电二极管的SPD由于其体积小、成本低和易于操作等实用性优势，在过去二十年中被广泛用于各种应用。在过去的十年里，量子信息科学的快速发展和不断增长的需求已经成为提高单光子雪崩二极管器件性能和发明新的雪崩猝灭技术的关键驱动力。本文介绍了InGaAs/InP单光子探测器系统在电信波长和相关量子通信应用中的技术进展，特别是最近出现的一些技术，如GHz频率的高频选通和使用负反馈雪崩二极管的自由运行。展望了器件和淬火技术的发展前景。
2015-05-09 physics.ins-det quant-ph
Counting Statistics of Actively Quenched SPADs Under Continuous Illumination
本文提出了一种随机方法来模拟连续波恒定照明下主动猝灭单光子雪崩二极管（SPAD）的计数行为。我们提出的分析表达式和模拟算法预测在有限的时间窗口中的检测数量的分布。我们还提出了平均检测率的公式。这些方法包括恢复时间、后脉冲和微光脉冲。我们实验比较的理论预测，使用市售的硅SPAD的测量数据。它们的总变异距离在$10^{-5}$到$10^{-2}$之间。
2020-08-25 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Automated characterization of single-photon avalanche photodiode
我们报告了一种基于商用硅雪崩光电二极管（PerkinElmer C30902 SH）的单光子探测器的自动化表征。光电二极管的特点是在不同的照明水平（黑暗，10 pW和10 uW），暗计数率和光子探测效率在不同的偏置电压下的I-V曲线。自动化表征例程在Linux计算机上运行的C++中实现。
2012-02-08 physics.ins-det quant-ph
Strong light illumination on gain-switched semiconductor lasers helps the eavesdropper in practical quantum key distribution systems
无论是否安装热电冷却器，在强光照射下半导体二极管的温度都会增加，这会改变激光器的输出波长（Lee M. S.例如，2017年）。然而，其他特性也随着温度的升高而变化。这些变化可以帮助窃听者在实际的量子密钥分发系统。通过模拟增益开关半导体激光器的速率方程，研究了温度升高对增益开关半导体激光器的影响。结果表明，温度的升高会引起较大的光强起伏，使输出光强降低，并导致信号态和诱饵态的区别。我们还提出了一种改进的光子数分裂攻击，利用温度升高的影响。并提出了相应的对策。
2018-03-15 physics.optics quant-ph
Characterization of A Novel Avalanche Photodiode for Single Photon Detection in VIS-NIR Range
在这项工作中，我们调查的新的单光子雪崩光电二极管（SPAD）SAP 500的激光组件制造的盖革模式的操作。该SPAD在400- 1000 nm范围内敏感，并具有传统的穿透结构，确保在光谱的长端具有良好的量子效率。通过使用被动和主动淬火计划，我们调查的检测效率，定时抖动，暗计数，afterpulsing，增益和其他重要参数，并比较他们的“标准”低噪声SPAD C30902 SH从珀金埃尔默。我们的结论是，SAP 500提供了更好的检测效率，低噪声和定时精度的组合。
2010-07-31 physics.ins-det quant-ph
Free Running Single Photon Detection based on a negative feedback InGaAs APD
InGaAs/InP基半导体雪崩光电二极管通常用于电信波段的单光子计数。然而，它们受到后脉冲的影响，这限制了二极管的性能。最近，Princeton Lightwave已经将单片集成反馈电阻器的二极管商业化。这种解决方案有效地抑制雪崩，并大大减少后脉冲。在这里，我们报告的发展和表征的检测器模块的基础上，这个二极管，实现了一个积极的保持关闭电路，进一步减少了afterpulsing，显着提高了检测器的性能。我们展示了自由运行的操作与600赫兹的暗计数率在10%的检测效率。我们还改进了标准的双窗口技术的后脉冲特性。我们的算法实现的FPGA允许把APD在一个定义良好的初始条件，并测量高阶后脉冲的影响。
2012-04-20 physics.ins-det quant-ph
Ultrashort dead time of photon-counting InGaAs avalanche photodiodes
我们报道了一个1.036 GHz的门控盖革模式InGaAs雪崩光电二极管的检测死区时间仅为1.93 ns。这是证明了检测事件后两个门周期的检测效率的完全恢复，以及测量的最大检测速率为497 MHz。作为应用，我们用一个探测器测量了半导体激光器发射的二阶关联函数$g^{(2)}$，由于探测器的死时间极短，所以可以高速可靠地工作。该器件是高比特率光纤波长量子密钥分发和光子量子计算的理想器件。
2009-06-09 physics.ins-det quant-ph
Best-practice criteria for practical security of self-differencing avalanche photodiode detectors in quantum key distribution
快速门控雪崩光电二极管（APD）是高比特率量子密钥分发（QKD）中最常用的单光子探测器。它们对外部攻击的鲁棒性对于QKD系统甚至整个QKD网络的整体安全性至关重要。在这里，我们研究了千兆赫兹门控的自差分InGaAs APD在强照明下的行为，这是Eve经常用来控制探测器的一种策略。我们的实验和建模表明，光电流的负反馈通过降低雪崩概率和/或加强电容响应来保护检测器不被致盲。基于这一发现，我们提出了一套设计和操作快速门控APD探测器的最佳实践标准，以确保其在QKD中的实际安全性。
2017-12-18 quant-ph
Quantum random number generator based on quantum tunneling effect
利用电子的量子隧穿效应的内在随机性，提出了一种量子随机数发生器的实验实现方案。我们开发了InGaAs/InP二极管，其价带和导带共享一个准恒定的能量势垒。我们在InGaAs/InP雪崩二极管上施加偏压，使二极管工作在盖革模式下，并以周期脉冲触发隧穿事件。最后，经过数据采集和后处理，我们的量子随机数产生速率达到了8 Mb/s，最终数据通过NIST测试和Diehard测试验证。我们的实验的特点是一个创新的低成本，光子源免费，集成，甚至芯片实现的方法在量子随机数产生。
2017-11-06 quant-ph
Simulation of Silicon Waveguide Single-Photon Avalanche Detectors for Integrated Quantum Photonics
集成量子光子学允许开发和实现芯片级器件，被认为是实现可扩展量子网络方案的关键技术。然而，许多最先进的集成量子光子学演示仍然需要将光耦合到外部光电探测器。片上硅单光子雪崩二极管（SPAD）提供了一种可行的解决方案，因为它们可以与光子组件无缝集成，并在热电冷却可实现的温度下以高效率和低暗计数运行。此外，它们在LIDAR和低光成像等应用中也很有用。在本文中，我们报告的硅波导为基础的SPAD的设计和模拟的硅绝缘体上的平台，为可见光波长，专注于两个器件家族具有不同的掺杂配置：p-n+和p-i-n+。通过二维蒙特卡罗方法模拟雪崩过程，计算了输入波长为640 nm时的光子探测效率（PDE）和时间抖动，以及243 K和300 K时的暗计数率（DCR）。对于我们的模拟参数，最佳p-i-n+ SPAD显示出最佳的器件性能，在反向偏置电压为31.5 V时，饱和PDE为52.4 +/- 0.6%，半高全宽（FWHM）定时抖动为10 ps，在243 K时，DCR < 5计数每秒。
2019-05-07 physics.ins-det physics.optics quant-ph
High-Fidelity Ion State Detection Using Trap-Integrated Avalanche Photodiodes
集成技术极大地增强了基于捕获离子的实用量子信息处理和传感设备的前景。高速和高保真度的离子状态读出对于任何这样的应用都是至关重要的。集成的检测器提供了显着的优势，系统的便携性，也可以大大方便并行操作，如果一个单独的检测器可以在每个离子捕获位置。在这里，我们展示了离子量子态检测在室温下利用单光子雪崩二极管（SPAD）直接集成到硅离子捕获芯片的衬底。我们通过SPAD的荧光收集来检测被捕获的$^{88}\text{Sr}^{+}$离子的状态，在450 $μ$ s内实现了$99.92(1)\%$平均保真度，为集成状态检测应用于量子计算和利用被捕获离子阵列的传感打开了大门。
2022-02-03 physics.atom-ph quant-ph
Controlling a superconducting nanowire single-photon detector using tailored bright illumination
我们通过实验证明，超导纳米线单光子探测器可以通过明亮的照明来确定性地控制。我们发现，明亮的光可以暂时使大部分的纳米线长度正常导电，可以延长死区时间后，正常的光子检测，并可以导致一个热点形成的死区时间具有高度的非线性灵敏度。结果，虽然基于不同的物理，超导探测器原来是可控的，几乎相同的技术作为雪崩光电二极管探测器。如前所述，当在量子密钥分发系统中使用这种检测器时，这允许窃听者发起检测器控制攻击以捕获完整的秘密密钥，而不会被密钥中的许多错误所揭示。
2011-11-16 quant-ph
Backflash light characterization to prevent QKD zero-error hacking
单光子雪崩二极管（SPAD）是量子密钥分发（QKD）应用中最商业化的单光子计数解决方案。然而，在光子检测期间由载流子的雪崩引起的二次光子发射可以被窃听者利用来获得信息，而不会在传输密钥中造成错误。在本文中，我们在门控InGaAs/InP SPAD的背闪光，其光谱和时间特性的不同探测器模型和不同的操作参数。我们定性地限制了由于逆闪光导致的最大信息泄漏，并提出了解决方案。
2016-05-18 quant-ph
Laser annealing heals radiation damage in avalanche photodiodes
雪崩光电二极管（APD）是需要单光子探测的天基量子通信的实用选择。然而，对APD的辐射损伤显著增加了其暗计数率，并减少了其在轨道上的有用寿命。我们发现，高功率激光退火照射APD的三种不同的型号（Excelitas C30902SH，Excelitas SLiK，和激光组件SAP500S2）愈合的辐射损伤，并大大恢复低暗计数率。在九个样品中，当在零下80摄氏度下操作时，最大暗计数率降低因子在5.3和758之间变化。达到这些降低因子的照明功率范围为0.8至1.6 W。其他光子探测特性，如光子探测效率，定时抖动，和afterpulsing概率，保持大部分不受影响。这些结果预示着一种很有前途的方法，以延长配备APD的量子卫星的寿命。
2017-01-31 physics.ins-det quant-ph
Experimental observation of anomalous supralinear response of single-photon detectors
本研究以前所未有的精度直接测量单光子探测器的绝对非线性，发现单光子雪崩二极管的反常超线性行为无法用现有理论解释，还表征了超导纳米线单光子探测器的非线性工作区间，更新了单光子层面非线性效应的认知。
2023-05-05 physics.optics quant-ph
Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination
量子力学的特殊性质允许两个远程方传递一个私人的秘密密钥，该密钥受到物理定律的保护而不被窃听。所谓的量子密钥分发（QKD）的实现通常依赖于探测器来测量单个光子的相关量子特性。在这里，我们通过实验证明，在两个商用QKD系统中的探测器可以完全远程控制，使用专门定制的明亮照明。这使得有可能无痕地获取完整的秘密密钥，我们提出了一个窃听装置建成的现成的组件。这个漏洞可能存在于大多数使用雪崩光电二极管检测单个光子的QKD系统中。我们相信，我们的发现对于通过识别和修补技术缺陷来加强实际QKD的安全性至关重要。
2011-03-04 quant-ph
Optoelectronic based Quantum Radar: Entanglement Sustainability Improving at High Temperature
在这项研究中，主要的重点放在光电量子照明系统的设计，以提高系统的性能，如在高温下的操作和限制的热激发光子。研究了基于光机械的量子照明系统，结果表明高温下的工作对保持模间纠缠至关重要。主要问题是机械部分必须以低频率操作，这会产生大量的热激发光子并恶化纠缠。为了解决这个问题，我们专注于用光电元件代替机械部分。在该系统中，光腔通过由光电探测器激励的变容二极管耦合到微波腔。光电探测器由光腔模式激发，并且驱动电流，该电流作为入射光的函数，驱动变容二极管，在变容二极管处，电压降是光电探测器产生的电流的函数。为了工程系统，一些参数的影响进行了研究。关键参数之一是微波腔与光电探测器的耦合系数。我们的研究结果表明，这种耦合因子诱导的新设计相比，光机械量子照明系统的显着差异。在某些特定的耦合因子值下，模式在5.5 K之前保持完全纠缠，在50 K左右保持部分纠缠。
2020-07-21 quant-ph
Thermal blinding of gated detectors in quantum cryptography
先前已经表明，两个商业上可获得的量子密钥分发（QKD）系统的门控检测器是可盲的，并且可由窃听者使用连续波照明和短亮触发脉冲来控制，从而操纵电路中的电压[L. Lydersen等人，Nat. Photonics DOI：10.1038/nphoton.2010.214]。这允许攻击者窃听完整的原始密钥和秘密密钥，而不会增加量子误码率（QBER）。在这里，我们将展示如何在明亮的照明下探测器的热效应可以导致相同的结果。我们证明了商业QKD系统Clavis 2中的探测器可以通过使用明亮的照明加热雪崩光电二极管（APD）来致盲，即所谓的热致盲。此外，一旦探测器失明，就可以使用短亮脉冲来触发探测器。对于数据包传输之间有停顿的系统，如即插即用系统，热惯性使夏娃能够在窃听之前应用明亮的致盲照明，使她更难被抓住。
2010-09-14 quant-ph
Beyond conventional photon-number detection with click detectors
光子数测量是鉴别和表征光的量子态的基本技术。除了国家的最先进的设备的能力，我们目前的测量与100个雪崩光电二极管的阵列暴露于光子数范围从远低于显着高于一个光子每个二极管。尽管每个二极管只能区分零和非零光子数，我们能够提取有关量子态的特征信息。我们证明了一个巨大的增强适用的强度范围由两个数量级相对于标准应用的这种设备。事实证明，与真正的光子计数器相比，在有限数量的注册点击上的任意光子数的概率映射本身并不是缺点。这种探测器阵列可以通过直接使用记录的数据，而不需要复杂的数据重建方法，来弥合单光子和线性探测之间的差距。
2017-06-03 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Control of threshold voltages in Si/SiGe quantum devices via optical illumination
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory（约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室）；University of California-Berkeley（加州大学伯克利分校）
本研究通过光学照明在Si/SiGe场效应晶体管中实现对阈值电压的可控调节，并提出了一种解释其可调性的模型。
2024-06-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Investigating the coherent state detection probability of InGaAs/InP SPAD-based single-photon detectors
在这项工作中，我们研究了探测单光子和多光子相干态的InGaAs/InP正弦门控和自由运行的单光子雪崩二极管的概率。因此，我们得出结论，多光子态探测不能被看作是单个单光子态吸收的独立事件。然而，如果更多的状态是单光子和双光子，那么独立模型是允许的。我们的结论是，物理过程必须发生在二极管结构，确定的相关性时，几个光子被同时吸收。我们提出了两个模型，我们可以用来描述光子相互作用的结构。依赖模型基于在n光子状态下不幸检测到第（n-1）个光子时检测到第n个光子的概率的增加/减少，并且具有良好的物理基础;经验模型提供了简单而准确的经验关系。
2021-04-16 quant-ph
A balanced gated-mode photon detector for qubit discrimination in 1550 nm
结合两个雪崩光子二极管（APD）的光子探测器已被证明在1550 nm的量子比特的歧视。门控模式下的尖峰信号被两个APD的平衡输出所抵消。尖峰消除使得能够降低鉴别器中的阈值，从而降低栅极脉冲电压。在178 K时，暗计数概率和后脉冲概率分别降低到7 × 10 ^-7和10^-4，而不影响探测效率（11%）。
2002-06-21 quant-ph
Towards correcting atmospheric beam wander via pump beam control in a down conversion process
由自发参量下转换（SPDC）过程产生的相关光子对可以用于长距离的安全量子通信，包括通过湍流大气链路的自由空间传输。我们实验研究了利用泵浦和输出光子空间模式之间的固有强相关性来减轻大气光束漂移的负靶向效应的可能性。我们的方法是基于一个演示观察偏转的光束上的空间分辨阵列的单光子雪崩二极管（SPAD阵列）。
2016-06-13 quant-ph
A simple and robust method for characterization of afterpulsing in single photon detectors
单光子探测器对于各种应用都很重要，每个应用都有自己的特定要求，这使得探测器的精确表征成为必要。在这里，我们提出了一个简单而准确的方法来表征暗计数率，检测效率，和后脉冲在单光子探测器纯粹基于他们的计数统计。我们展示了我们的新方法定制的，自由运行的单光子探测器的基础上InGaAs雪崩光电二极管（APD），虽然这里提出的方法适用于任何类型的单光子探测器。
2014-09-22 quant-ph
A Short Wavelength GigaHertz Clocked Fiber-Optic Quantum Key Distribution System
已经开发了一种使用标准电信光纤的量子密钥分发系统，该系统能够以大于1GHz的时钟速率工作。量子密钥分发系统实现B 92协议的偏振编码版本。该系统采用发射波长为850 nm的垂直腔面发射激光器作为弱相干光源，硅单光子雪崩二极管作为单光子探测器。发射波长为1.3微米的分布式反馈激光器和线性增益锗雪崩光电二极管用于在标准电信光纤上光学同步单个光子。该量子密钥分发系统表现出1.4%的量子比特错误率，并且对于4.2公里的传输范围，估计净比特率大于每秒100，000比特。对于10公里的光纤范围，量子误码率为2.1%，估计净比特率大于每秒7,000比特。
2006-05-26 quant-ph
Precise Monte Carlo Simulation of Single-Photon Detectors
我们证明了单光子探测器的蒙特卡罗模拟的重要性和实用性。由于现代雪崩二极管单光子探测器的复杂性，设计最佳模拟受到特定应用的强烈影响。使用一个简单的但非常苛刻的例子，通过检测泊松光子退出分束器的随机数生成，我们提出了一个蒙特卡罗模拟，忠实地再现作为检测频率的函数的随机位的串行自相关超过四个数量级的入射光子通量。我们推测，这种模拟方法可以很容易地修改用于许多其他应用程序。
2014-11-13 quant-ph
Time and spectrum-resolving mutiphoton correlator for 300-900 nm
我们展示了一个在可见光范围内的单光子灵敏光谱仪，这使我们能够进行时间分辨和多光子光谱相关测量。它是基于一个单色器组成的两个光栅，准直光学和阵列的单光子雪崩二极管。受单色器设计的限制，时间分辨率可达$110$ ps，光谱分辨率为$2$ nm/pixel。这种技术可以很容易地与商业单色仪相结合，并可以用于联合光谱测量的过程中的参数下转换，以及时间分辨光谱测量光学相干断层扫描或医学物理应用中发射的两个光子。
2014-06-17 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Laser damage helps the eavesdropper in quantum cryptography
我们提出了一类攻击量子密钥分发（QKD）系统，窃听者积极工程师新的漏洞，通过使用破坏性的激光照射永久改变系统组件的属性。这可能会将一个完美的QKD系统变成一个完全不安全的系统。在雪崩光电二极管探测器上进行的原理验证实验表明，激光损伤可以用来制造漏洞。在大约1 W的照明后，探测器的暗计数率降低了2到5倍，永久地提高了单光子计数性能。在大约1.5 W之后，探测器永久地切换到线性光电探测模式，并且对于QKD应用变得完全不安全。
2014-02-21 physics.ins-det quant-ph
Homodyne measurement of average photon number
本文提出了一种利用零差探测测量任意边带频率处平均光子通量的新方案。该技术的实验实现除了零差检测器之外还需要AOM，并且不需要锁相。该技术表现出偏振，频率和空间模式的选择性，以及大大提高的速度，分辨率和动态范围相比，线性光电探测器和雪崩光电二极管（APD），与潜在的应用量子态层析成像和信息编码使用的光学频率的基础。实验数据也直接证实了真空噪声的量子力学描述。
2005-09-21 quant-ph
