Manipulacja i pomiar fotonów, pojedynczych kwantów światła, stanowią podstawę obiecujących, rozwijających się technologii fotonicznych obliczeń kwantowych i komunikacji kwantowej. Jednak bez niezawodnego i skalowalnego rozwiązania fotodetektora nie mogą one w pełni wykorzystać swojego potencjału. Co więcej, stworzenie skalowalnego, wysokowydajnego detektora pojedynczych fotonów otwiera szereg innych lukratywnych zastosowań, w tym obrazowanie biologiczne, LiDAR, wykrywanie gazu i obrazowanie kwantowe.

W wyznaczeniu standard branżowego konkurują ze sobą dwa rodzaje technologii detektorów pojedynczych fotonów. Są to: detektory półprzewodnikowe, takie jak diody lawinowe pojedynczych fotonów (SPAD) oraz detektory nadprzewodzące, w tym nadprzewodzące detektory pojedynczych fotonów nanowire (SNSPD). Technologie te przedstawia nowy raport IDTechEx „Quantum Sensors Market 2025-2045: Technology, Trends, Players, Forecasts”, zamieszczając przy tym spostrzeżenia i prognozy rynkowe dla szerszego rynku czujników kwantowych.

Czym jest detektor pojedynczych fotonów?

Zasadniczo sygnał elektryczny jest wytwarzany na skutek przejścia fotonu światła przez wszystkie typy detektorów pojedynczych fotonów. Pole detektorów pojedynczych fotonów można ogólnie podzielić na detektory półprzewodnikowe i nadprzewodnikowe. Liderami każdej z grup są odpowiednio SPAD i SNSPD.

W przypadku detektorów SPAD, pomiar pojedynczych fotonów odbywa się w półprzewodnikowym złączu PN spolaryzowanym powyżej napięcia przebicia. Padający na nie foton wywołuje „lawinę” setek lub nawet tysięcy elektronów, mierzoną jako dobrze wyizolowany impuls sygnału.

SNSPD składają się natomiast z cienkiego, wężowego nanodrutu z materiału nadprzewodzącego, zwykle chłodzonego kriogenicznie do temperatury poniżej 3 K. Padający foton zakłóca nadprzewodnictwo i tworzy rezystancyjny „hotspot”, który powoduje skok napięcia na detektorze.

Nie wszystkie detektory pojedynczych fotonów są sobie równe

Najważniejsze dwa wskaźniki wydajności detektora jednofotonowego to wydajność detektora i współczynnik zliczeń ciemnych (pomiar szumu w systemie). Detektory SNSPD osiągają generalnie lepsze wyniki w obu metrykach, z wydajnością detektora większą od 90% i częstotliwością 100 Hz dla detektorów SPAD.

Podstawową wadą detektorów nadprzewodnikowych, takich jak SNSPD, jest jednak konieczność ich chłodzenia do bardzo niskich temperatur. Zazwyczaj wiąże się to z nieporęcznymi, drogimi i energochłonnymi kriostatami. Obecnie skala i fundusze przeznaczane na projekty technologii kwantowej sprawiają, że korzystanie z tych kriogenicznych rozwiązań jest wykonalne, a opracowanie bardziej wydajnych chłodziarek jest głównym priorytetem dla kluczowych graczy, takich jak Single Quantum i PsiQuantum. Bardzo niski poziom szumów SNSPD jest w dużej mierze spowodowany ich bardzo niską temperaturą pracy, a gracze wspierający detektory nadprzewodnikowe w dłuższej perspektywie uważają, że zawsze będzie to niezbędne.

Tymczasem detektory SPAD mają potencjał umożliwiający stosowanie technologii kwantowych w temperaturze pokojowej. Jest to możliwe dzięki innowacjom w materiałach półprzewodnikowych i konsekwentnej poprawie ich wydajności w ostatnich latach. Chłodzenie może również zmniejszyć ich współczynnik ciemnych zliczeń, ale nie jest to warunek konieczny do ich działania. Firma IDQuantique skomercjalizowała linię fotodetektorów o niskim poziomie szumów i jittera, wykorzystujących chłodzone SPAD InGaAs/InP. Podstawowym zastosowaniem są schematy komunikacji kwantowej, takie jak kwantowa dystrybucja kluczy (QKD), w których IDQ jest obecnie liderem na rynku. Firma produkuje również linię detektorów SNSPD do QKD i badań kwantowych.

Projekt Innovate UK MARCONI o wartości 1,5 mln GBP ma natomiast na celu opracowanie zarówno rozwiązania SPAD, jak i SNSPD w celu opracowania skalowalnej krajowej sieci QKD do celów bezpieczeństwa informacji. Rozwiązanie SPAD będzie tańszym detektorem dla QKD krótkiego zasięgu, podczas gdy SNSPD będzie działać lepiej w komunikacji dalekiego zasięgu. Dopiero wtedy okaże się, czy SPAD i SNSPD będą się wzajemnie uzupełniać w rozwoju sieci komunikacji kwantowej w dłuższej perspektywie, czy też gracze po prostu zabezpieczają swoje zakłady.

Porównanie technologii detektorów jednofotonowych SNSPD i SPAD. Źródło: IDTechEx

Wnioski i perspektywy rynkowe

Ostatecznie wybór pomiędzy detektorami półprzewodnikowymi i nadprzewodnikowymi będzie zależał od tego, czy łatwiej jest pójść na kompromis pod względem kosztów, skalowalności czy wydajności. Z natury niski poziom szumów w chłodzonych kriogenicznie detektorach nadprzewodnikowych sprawił, że stały się one bardziej popularne w badaniach i produktach na wczesnym etapie rozwoju. Jednak ekonomia skali i postępy w dziedzinie alternatywnych półprzewodników mogą przechylić szalę na korzyść SPAD i innych platform półprzewodnikowych.

W przypadku fotonicznych obliczeń kwantowych skalowalność będzie niezbędna wraz ze wzrostem liczby kubitów na komputer. PsiQuantum koncentruje się obecnie na integracji detektorów nadprzewodnikowych z chipami fotonicznymi i budowaniu kriostatów na dużą skalę. Jednak dzięki detektorom półprzewodnikowym fotoniczne obliczenia kwantowe mogą stać się jedną z najbardziej obiecujących platform do pracy w temperaturze pokojowej. W pewnym sensie kompromis w wyborze detektora między wiernością a skalowalnością odzwierciedla bardziej ogólny meta-trend w branży obliczeń kwantowych, polegający na wyborze między wieloma szumiącymi kubitami a mniejszą liczbą wysokiej jakości kubitów.

Dalsze spostrzeżenia i analizy dotyczące SPAD, SNSPD i większego rynku czujników kwantowych można znaleźć w nowym raporcie IDTechEx, www.IDTechEx.com/QuantumSensors.

Raport, zawierający 20 linii prognostycznych i ponad 40 profili firm, zawiera narracje branżowe i dogłębną analizę kluczowych graczy w branży czujników kwantowych. Dostępne są również przykładowe strony do pobrania.

Pełne portfolio badań rynku technologii kwantowych dostępnych w IDTechEx można znaleźć na stronie www.IDTechEx.com/Research/Quantum.

Autor oryginału: Noah El Alami, analityk technologiczny w IDTechEx