Детектор одиночных фотонов для квантовой криптографии

Анастасия Кротовская

Published Jan 1, 2026• 0 citations

Abstract

Цель работы – исследование основных характеристик низкошумящего детектора одиночных фотонов, работающего в непрерывном режиме, а также их зависимость от температуры фотодиода и напряжения смещения. Работа проведена на базе лаборатории волоконной оптики Политехнического университета. Объект исследования – опытный образец детектора одиночных фотонов на основе однофотонного лавинного фотодиода с гетероструктурой InGaAs/InP с обратной засветкой, работающий в непрерывном режиме. В результате исследования основных характеристик экспериментально установлены и проанализированы зависимости квантовой эффективности, частоты темновых отсчётов и вероятности послеимпульсных срабатываний детектора от температуры лавинного фотодиода и напряжения смещения. Написана программа на языке MATLAB для автоматизации процесса вычисления вероятности послеимпульсных срабатываний. Область применения результатов охватывает квантовую криптографию, а также фундаментальные эксперименты в квантовой оптике, где требуется регистрация фотонов с неизвестным временем прихода. В ходе выполнения работы использовались такие информационные технологии как: программа управления опытным образцом детектора одиночных фотонов для ПК, программа управления и построения гистограмм для контроллера времени ID1000, пакет прикладных программ MATLAB и программа Microsoft Excel.

DOI: 10.18720/spbpu/3/2026/vr/vr26-607

Related papers

Детекторы и излучатели фотонов для систем квантовой связи и квантовых стандартов частоты

В докладе будет представлен краткий обзор результатов, полученных в ИФП СО РАН, в области разработки детекторов и излучателей фотонов, перспективных для использования в системах квантовой криптографии и миниатюрных квантовых стандартах частоты на основе эффекта когерентного пленения населенностей.Однофотонные лавинные фотодиоды (ОЛФД) на основе гетероструктуры InP/InGaAs/InP обеспечивают поглощение на длине волны 1.55 мкм и применяются в волоконно-оптических линиях для реализации систем квантовой криптографии.Разработана конструкция и спроектирована топология ОЛФД на основе гетероструктуры InP/InGaAs/InP.Методом планарной технологии изготовлены чипы ОЛФД.Предложен способ и определены условия проведения локальной диффузии цинка с целью получения заданного профиля распределения примеси p-типа и толщины области лавинного умножения.Разработаны методы контроля параметров отдельных слоев гетероструктуры и ОЛФД в целом.Гетероструктуры выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке n + -InP.Основными параметрами, определяющими работоспособность ОЛФД в гейгеровском режиме как детектора одиночных фотонов, являются квантовая эффективность счета (15-25%), частота темновых импульсов менее 50 кГц и коэффициент послепульсаций менее 15%.Для достижения предельных параметров ОЛФД, работающих в счетном режиме, требуются экстремально малые темновые токи при обратных напряжениях вблизи пробоя.Для этого необходима минимизация уровня фоновых примесей в слоях гетероструктуры.Были проведены исследования влияния условий выращивания этих слоев на уровень фоновых примесей и дефектов в них с помощью сочетания методов C-V измерений ртутного зонда и МДП структуры с послойным травлением эпитаксиальных слоев.Для измерения параметров чипов (квантовая эффективность счета, частота темновых импульсов и коэффициент послепульсаций) разрабатывается оригинальный исследовательский стенд.Достигнутые величины темнового тока при температуре 217 К вблизи пробоя (менее 10 -11 А), коэффициент лавинного умножения (25-30) в линейном режиме и темновая частота счета (менее 50 кГц при перенапряжении до 3,5 В) в режиме Гейгера не уступают результатам мирового уровня.Исследована система квантовых точек (КТ) на основе AlyIn1-yAs/AlxGa1-xAs.Использование широкозонных твердых растворов AlyIn1-yAs в качестве основы КТ позволяет существенно расширить спектральный диапазон излучения в коротковолновую область, включая участок длин волн вблизи 770 нм, представляющий интерес для разработки аэрокосмических систем квантовой криптографии.Разработана и реализована конструкция микрорезонаторов для излучателей одиночных фотонов на основе AlxGa1-xAs зеркал и AlyIn1-yAs КТ.С использованием интерферометра Хэнбери Брауна-Твисса исследована статистика излучения одиночных AlyIn1-yAs КТ.Функция парных фотонных корреляций отчетливо демонстрирует субпуассоновский характер статистики излучения (g (2) (0)=0.04),что является прямым подтверждением перспективности использования разработанных микрорезонаторов для создания эффективных излучателей одиночных фотонов на основе AlyIn1-yAs КТ в спектральном диапазоне 0.77 мкм.Разработаны и изготовлены одномодовые лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР) с длиной волны генерации 894.6 нм для использования в миниатюрных квантовых стандартах частоты (КСЧ) на основе 133 Cs и лазеры с длиной волны 794.8 нм для КСЧ на основе 87 Rb.Точная подстройка длины волны под резонанс D1 Cs и Rb осуществляется путем изменения температуры и тока накачки лазеров.Характеристики лазеров соответствуют требованиям, предъявляемым к излучателям в миниатюрных КСЧ на основе эффекта когерентного пленения населенностей.

Высшая школа: научные исследованияSep 1, 20230 citations

Перепутывание кубитов, индуцированное тепловым полем

Облыгина Е. С., Облыгина Е. С., Башкиров Е. К.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Построение квантового компьютера в виде реального физического прибора является фундаментальной задачей физики XXI века. Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а квантовомеханические эффекты, такие как квантовая перепутанность. Поэтому в настоящее время особое внимание в квантовой оптике уделяется изучению перепутанных состояний. Они являются фундаментом квантовой информатики. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование динамики перепутывания двух идентичных двухуровневых атомов, взаимодействующих с модой теплового поля идеального резонатора при наличии расстройки частот атомов и поля и диполь-дипольного взаимодействия. В качестве физической реализации данной модели можно рассматривать сверхпроводящие кубиты или примесные спины, в частности для сверхпроводящих кубитов, параметры диполь-дипольного взаимодействия могут на порядки отличаться от константы кубит-полевого взаимодействия. НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В квалификационной работе получены и выносятся на защиту следующие р

Jan 1, 20170 citations

Нелинейные эффекты при распространении лазерных импульсов в среде двухуровневых атомов

Чернова, Наталья

Объект исследования – двухуровневый атом. Цель работы – теоретическое исследование нелинейных эффектов при распространении лазерных импульсов в среде двухуровневых атомов. В результате исследования создана математическая модель взаимодействия лазерного излучения со средой двухуровневых атомов, проведен анализ распространения коротких лазерных импульсов в оптически плотной среде, изучено влияние процессов релаксации атомных уровней на изменение площади импульса при его распространении в среде. Результат работы – зависимости, устанавливающие как параметры излучения и среды определяют динамику площади импульса в соответствии с теоремой площадей Мак–Колла–Хана. Полученные результаты позволяют лучше понять процессы когерентного взаимодействия излучения с резонансными средами и могут быть использованы при анализе систем оптической обработки информации. Применялись информационно – коммуникационные технологии для поиска и анализа литературы. Использована прикладная программа Python для численного моделирования процессов взаимодействия и визуализации полученных результатов.

Jan 1, 20250 citations

Лавинные фотодиоды для систем квантовой криптографии

Лю Юйхан

В данной выпускной квалификационной работе рассматривается применение лавинных фотодиодов (ЛФД) в качестве ключевого элемента детекторов одиночных фотонов для систем квантовой криптографии. Квантовая криптография представляет собой передовую технологию защиты информации, основанную на фундаментальных принципах квантовой механики, и требует высокоточных компонентов, способных эффективно и надежно регистрировать отдельные фотоны. В работе представлен обзор принципов работы и характеристик ЛФД, включая квантовую эффективность, частоту темновых отсчетов, вероятность послелавинных срабатываний и временное разрешение. Особое внимание уделено сравнению различных режимов работы ЛФД — линейного, Гейгера и Sub-Geiger — с точки зрения их пригодности для задач квантового распределения ключей (QKD). Экспериментальная часть работы заключалась в тестировании малошумящего полупроводникового детектора одиночных фотонов, выполненного на базе ЛФД RMY PGA-314-100, включая сборку схем измерения и цифровую обработку сигналов. Проведены измерения параметров при различных температурах, уровнях напряжения и мертвого времени. Также проведен анализ вероятности послелавинных срабатываний тремя различными методами обработки гистограмм. В основном я использую программное обеспечение Matlab. Полученные результаты демонстрируют зависимость рабочих характеристик от температурного режима и условий управления, а также подтверждают высокую эффективность применения ЛФД в системах квантовой криптографии.

Jan 1, 20250 citations

Релаксация квантовой точки в среде с фотонной запрещенной зоной

Коваленко А. В., Коваленко А. В., Семин Виталий Владимирович

Объектом исследования в данной работе является квантовая точка,взаимодействующая с фотонной запрещенной зоной.Цель работы - изучение влияния фотонной запрещенной зоны нарелаксацию квантовой точки.В результате работы было получено основное уравнение релаксацииквантовой точки в фотонной запрещенной зоне. При помощи компьютерногомоделирования были получены графики, отражающие влияние измененияпараметров запрещенной зоны и фонового континуума на релаксацию.На основе результатов, полученных в ходе работы, был сделан выводоб их практическом значении для дальнейшего изучения квантовых систем.

Jan 1, 20200 citations

Измерение временного джиттера низкошумящего детектора одиночных фотонов

A. E. Anisimov, Belov, Andrey, Козлов Артемий Сергеевич +6 more

В статье представлена методика измерения временного джиттера детектора одиночных фотонов, не требующая быстродействующей электроники и коротких оптических импульсов. Предложенная методика предполагает экспериментальное измерение временных задержек срабатывания детектора одиночных фотонов на короткие слабые оптические импульсы переменной длительности, подаваемые на его вход. При этом длительность оптических импульсов может превышать величину измеряемого джиттера. Представлены также результаты измерения временного джиттера низкошумящего детектора одиночных фотонов, использующего лавинный фотодиод производства компании RMY Electronics, проведено сравнение с коммерчески доступным детектором ID Quantique IDQube-NIR-GAT-MMF-LN. Проведенные экспериментальные исследования доказали успешность предложенной методики измерения временного джиттера.

Jan 1, 20260 citations