自從升天運行以來，中國的量子通信衛星“墨子號”取得了一系列令人印象深刻的突破，這要歸功于強大的光子探測器能夠克服背景噪聲。

單光子的新興用途之一是將量子信息打包并發送到另一個位置。這項被稱為量子通信的技術利用了物理定律確保信息不會被任何竊聽者讀取。

該技術面臨的一項挑戰是如何將量子信息傳送到世界各地。這是一個難以解決的問題，因為攜帶量子信息的光量子非常脆弱，任何光子與其環境之間的任何相互作用都會破壞它。在不破壞光子攜帶的量子信息的情況下，目前地面傳輸的極限為142公里，通過光纖實現量子密鑰分發的極限為421公里——距離越遠，光量子傳輸效率越低。

為此，中國物理學家想出了一種解決方法：將光子發射到軌道衛星上，衛星再將其中繼到地球表面的另一個位置。這樣一來，便可將光子在大氣中傳輸的路程最小化。如果光子是從高海拔的地面站發射的，則它們的行程主要是通過空曠的真空。

但有個問題，量子通信需要能夠識別和測量單個光子的探測器。近年來，物理學家已經設計和制造出了越來越靈敏的設備，以完成這一任務。

但是，設備的敏感性使它們很容易受到所有類型的背景噪聲的影響，這些背景噪聲可能會使來自光子本身的信號不堪重負。在太空中，單光子探測器的噪聲主要來自兩部分：器件本身的缺陷和在外太空中遭受重離子質子轟擊的噪聲，以及外來噪聲如雜散光子、各種重離子、質子引起的響應等。

構建可在這種環境下運行的單光子探測器是一項重大挑戰。也就難怪，物理學家們為這一難題絞盡腦汁很長一段時間。

現在，來自位于合肥的中國科技大學的彭承志和他的同事們說，他們已經解決了這個問題。過去兩年中，他們甚至已經在軌道衛星上測試了探測器，并表示它運轉良好。

圖| 1號和2號單光子探測器在最初262天的暗計數率，紅色和黑色為觀測數據，綠色為輻射引發的暗計數率，藍色為月光引發的暗計數率

該小組的探測器利用了一種稱為雪崩擊穿的現象，這種現象在特殊情況下會在半導體芯片中發生。諸如硅之類的半導體以自由電子和空穴的形式傳導電流，自由電子和空穴可以在電場的影響下穿過材料晶格。

在正常情況下，這些電荷載流子被束縛在晶格上，因此不能移動。此時，材料是絕緣體。

但是，如果電子被釋放出來（可能是由于熱波動或入射光子的撞擊而被釋放），它就可以穿過結構，從而產生電流。在這種情況下，該材料成為導體。

當然，以這種方式釋放的單個電子會產生難以檢測的微小電流。因此，雪崩擊穿的竅門是建立一個電壓，該電壓可迅速將自由電子加速到足夠高的速度，以使其他導電電子被自由擊落。這會產生連鎖反應，也就是雪崩，從而產生更大、更容易檢測到的電流。

近年來，物理學家已經將這些設備改進得如此敏感，以至于特定波長的單個光子就能觸發這種雪崩。如此一來，一臺單光子檢測器能夠發現擊中它的大多數光子。

但是，獲得這種敏感性需要付出代價。太空中的高能粒子轟擊器件晶體，使內部出現缺陷導致本體暗技術增加，以至于可能淹沒了物理學家希望測量的光子信號。

因此，彭承志和其同事的任務是尋找方法來保護和提高商業上現成的單光子探測器的性能，使之可以在太空中運行。