Detektor enega fotona (SPD) je vrhunska-naprava v središču sodobne fotonike in kvantne tehnologije. Njegova značilnost je sposobnost zaznavanja prisotnosti enega samega fotona. Zaradi te zmožnosti je nepogrešljiv na področjih, kot so štetje fotonov, kvantna komunikacija, LiDAR, fluorescenčna spektroskopija, astronomsko opazovanje in kvantno računalništvo. Ključne lastnosti enofotonskih detektorjev lahko opišemo na naslednji način.
Prvič, ultra{0}}visoka občutljivost je temeljna lastnost SPD. Običajni fotodetektorji običajno zahtevajo določeno jakost svetlobe, da proizvedejo merljiv odziv, medtem ko se SPD lahko odzove na prihod enega samega fotona-najmanjšega kvanta svetlobne energije. To se doseže z notranjimi mehanizmi, kot so lavinske fotodiode (APD), ki delujejo v Geigerjevem načinu, kjer en sam fotonski dogodek sproži merljiv impulz lavinskega toka prek učinka lavinske množitve. Ta občutljivost omogoča meritve pri izjemno nizki-svetlobnih pogojih.
Drugič, izjemna časovna ločljivost je še ena kritična lastnost. Enofotonski detektorji, zlasti superprevodni nanožični eno-fotonski detektorji (SNSPD) in silicijevi fotopomnoževalci (SiPM), kažejo časovno tresenje reda pikosekunde (ps). To jim omogoča natančno časovno označevanje prihoda fotona. Pri kvantni porazdelitvi ključev (QKD) se ta natančnost uporablja za natančno razlikovanje signalnih fotonov; v LiDAR-ju omogoča milimetrsko-ločljivost razdalje; in pri slikanju življenjske dobe fluorescence olajša natančno analizo procesov upadanja fluorescence.
Tretjič, nizek šum in visoko razmerje-in-šumom sta bistvena. Idealen detektor posameznega fotona mora čim bolj zmanjšati temno štetje (lažna štetja, ki nastanejo zaradi šuma v odsotnosti signalnih fotonov). Na primer, SNSPD lahko dosežejo temne štetne stopnje pod 1 štetjem na sekundo, ko se ohladijo na kriogene temperature. Hkrati je visoka učinkovitost zaznavanja fotonov (PDE)-razmerje med zaznanimi fotoni in vpadnimi fotoni-druga ključna metrika. Sodobni SPD so dosegli PDE, ki presegajo 90 % pri določenih valovnih dolžinah (npr. telekomunikacijski pas 1550 nm ali vidno območje). Nizek šum in visoka učinkovitost skupaj zagotavljata visoko razmerje-in-šumom pri ekstrakciji šibkih signalov.
Četrtič, mrtvi čas in hitrost štetja sta pomembna parametra-kompromisa. Mrtvi čas se nanaša na obdobje, ki je potrebno, da detektor obnovi občutljivost po dogodku zaznavanja, ki omejuje največjo hitrost štetja. Različne tehnologije SPD imajo tu različne prednosti: APD-ji imajo relativno dolge mrtve čase (desetine nanosekund), medtem ko lahko SNSPD in SiPM dosežejo krajše mrtve čase, kar podpira višje stopnje štetja, primerne za visoko-hitro kvantno komunikacijo ali spremljanje dinamičnih procesov.
Poleg tega se obseg spektralnega odziva razlikuje glede na material detektorja. SPD-na osnovi silicija pokrivajo predvsem vidni do skoraj-infrardeči spekter (približno 300-1000 nm), medtem ko so naprave InGaAs/InP primerne za komunikacijska pasova 1310 nm in 1550 nm. SNSPD je mogoče prilagoditi tako, da se razširijo v srednje infrardeče ali celo širše valovne dolžine z uporabo različnih superprevodnih materialov (npr. NbN, WSi). Ta prilagodljivost omogoča prilagajanje spektralnim zahtevam različnih aplikacij.
Nazadnje, pogoji delovanja in stopnja integracije so pomembne značilnosti. Nekateri SPD (kot so SNSPD) zahtevajo zapletene kriogene hladilne sisteme, kar omejuje njihovo prenosljivost. Nasprotno pa novi SPD-ji (kot so CMOS-združljivi nizi-fotonskih lavinskih diod) napredujejo k delovanju pri sobni-temperaturi, miniaturizaciji in-integraciji na-čipu, s čimer utirajo pot kvantnim-procesorjem velikega obsega in kompaktnim napravam za zaznavanje.
Skupaj so te značilnosti enofotonskih detektorjev povzročile preboje na številnih področjih. V kvantni informacijski znanosti so gradniki za varno kvantno komunikacijo in optično kvantno računalništvo. V znanosti o življenju omogočajo zaznavanje fluorescence posamezne-molekule. Pri zaznavanju-na dolge razdalje in-komunikaciji v globokem vesolju zajamejo izredno šibke optične signale. Z nenehnim raziskovanjem novih materialov (kot so 2D materiali) in novih arhitektur (kot so valovodni-integrirani detektorji) se detektorji z enim fotonom razvijajo v smeri višje učinkovitosti, nižjega šuma, širših spektralnih razponov in večjih-nizov. Še naprej bodo imeli ključno vlogo pri raziskovanju meja fotonskega sveta.