Detektor jednog fotona (SPD) je vrhunski-uređaj u srcu moderne fotonike i kvantne tehnologije. Njegova definirajuća karakteristika je sposobnost otkrivanja prisutnosti jednog fotona. Ova mogućnost ga čini nezamjenjivim u poljima kao što su brojanje fotona, kvantna komunikacija, LiDAR, fluorescentna spektroskopija, astronomska promatranja i kvantno računalstvo. Ključne značajke jednofotonskih detektora mogu se opisati kako slijedi.
Prvo, ultra-visoka osjetljivost temeljna je osobina SPD-a. Konvencionalni fotodetektori obično zahtijevaju određeni intenzitet svjetlosti da proizvedu mjerljiv odgovor, dok SPD može odgovoriti na dolazak jednog fotona-najmanjeg kvanta svjetlosne energije. To se postiže kroz interne mehanizme kao što su lavinske fotodiode (APD) koje rade u Geigerovom načinu rada, gdje jedan fotonski događaj pokreće mjerljivi lavinski strujni impuls putem efekta lavinskog umnožavanja. Ova osjetljivost omogućuje mjerenja pod iznimno-uvjetima slabog osvjetljenja.
Drugo, iznimna vremenska rezolucija još je jedna kritična značajka. Pojedinačni fotonski detektori, posebno supravodljivi nanožičani jedno-fotonski detektori (SNSPD) i silicijski fotomultiplikatori (SiPM), pokazuju vremensko podrhtavanje reda veličine pikosekundi (ps). To im omogućuje da precizno označe vrijeme dolaska fotona. U kvantnoj distribuciji ključa (QKD), ova se preciznost koristi za točno razlikovanje fotona signala; u LiDAR-u omogućuje razlučivost udaljenosti na milimetarskoj razini-; au prikazivanju fluorescentnog životnog vijeka, olakšava preciznu analizu procesa opadanja fluorescencije.
Treće, nizak šum i visok omjer signala-i-šuma su ključni. Idealan detektor jednog fotona mora minimizirati tamnu brzinu brojanja (lažna brojanja generirana šumom u odsutnosti signalnih fotona). Na primjer, SNSPD mogu postići tamne brzine brojanja ispod 1 brojanja u sekundi kada se ohlade na kriogene temperature. Istodobno, visoka učinkovitost detekcije fotona (PDE)-omjer detektiranih fotona i upadnih fotona-druga je ključna metrika. Moderni SPD-ovi su postigli PDE koji prelaze 90% na određenim valnim duljinama (npr. 1550 nm telekom pojas ili vidljivo područje). Nizak šum i visoka učinkovitost zajedno osiguravaju visok omjer signala-i-šuma prilikom izdvajanja slabih signala.
Četvrto, mrtvo vrijeme i brzina brojanja važni su-parametri kompromisa. Mrtvo vrijeme odnosi se na razdoblje potrebno da detektor povrati osjetljivost nakon događaja detekcije, koji ograničava maksimalnu brzinu brojanja. Različite SPD tehnologije ovdje imaju različite prednosti: APD-ovi imaju relativno duga mrtva vremena (desetke nanosekundi), dok SNSPD-ovi i SiPM-ovi mogu postići kraća mrtva vremena, podržavajući veće brzine brojanja prikladne za -brzu kvantnu komunikaciju ili praćenje dinamičkih procesa.
Štoviše, spektralni raspon odziva varira ovisno o materijalu detektora. SPD-na bazi silicija primarno pokrivaju vidljivi do blizu-infracrvenog spektra (približno 300-1000 nm), dok su InGaAs/InP uređaji prikladni za komunikacijske pojaseve od 1310 nm i 1550 nm. SNSPD-ovi se mogu prilagoditi tako da se protežu u srednje infracrvene ili čak šire valne duljine korištenjem različitih supravodljivih materijala (npr. NbN, WSi). Ova fleksibilnost omogućuje prilagodbu spektralnim zahtjevima različitih primjena.
Konačno, radni uvjeti i stupanj integracije značajne su karakteristike. Neki SPD-ovi (poput SNSPD-ova) zahtijevaju složene kriogene sustave hlađenja, ograničavajući njihovu prenosivost. Nasuprot tome, novi SPD-ovi (kao što su CMOS-kompatibilni jedno-fotonski nizovi lavinskih dioda) napreduju prema radu na sobnoj-temperaturi, minijaturizaciji i-integraciji na-čip, utirući put za-kvantne procesore velikih-razmjera i kompaktne senzorske uređaje.
Zajedno, ove karakteristike jednofotonskih detektora dovele su do otkrića u brojnim područjima. U kvantnoj informacijskoj znanosti, oni su građevni blokovi za sigurnu kvantnu komunikaciju i optičko kvantno računalstvo. U znanostima o životu omogućuju detekciju fluorescencije jedne-molekule. U-osjećanju dugog dometa i-komunikaciji dubokog svemira, oni hvataju izuzetno slabe optičke signale. Uz stalna istraživanja novih materijala (kao što su 2D materijali) i nove arhitekture (kao što su valovod-integrirani detektori), jednofotonski detektori se razvijaju prema većoj učinkovitosti, nižem šumu, širim spektralnim rasponima i većim-matrima. Oni će nastaviti igrati ključnu ulogu u istraživanju granica fotonskog svijeta.