量子通信的应用

　　图1：用Prime BSI sCMOS相机拍摄的广域图像，像素阵列显示在轴标签中。图像上的大多数亮点是锡空位中心，强度按图像右侧的刻度进行缩放。

　　背景

　　蒂姆·施罗德博士在柏林洪堡大学的综合量子光子学实验室致力于理解、控制和开发量子研究的应用案例。在这个特定的项目中，马滕·范德霍芬正在表征和研究金刚石纳米结构中颜色中心的行为。这些颜色中心是极其稳定的单光子源，可以用来构建量子传感器或具有高通信速率的量子通信设备。为了实现这一目标，马滕正在寻找将这些量子系统耦合的方法，以尽可能有效地收集传输的光子。

　　对于金刚石中的色心，制造包含发射器的纳米结构是一种众所周知的方法，用于增强光子的提取。这些纳米结构可以用于色心发射的单模光纤耦合，因为这是高光子收集效率的要求，也是集成系统的需求。

　　挑战

　　为了检测单个点源，这些点源在每毫秒内只有几个光子的信号，需要一个具有非常高量子效率和非常低读出噪声的相机。之前使用了一种共聚焦扫描方法，但这种方法比同时定位许多数十或数百个色心要慢得多。

　　一个受良好控制的科学相机传感器可以可靠地获取检测到的光子数量。其他不太优化的相机解决方案难以进行定量分析，需要频繁校准，并且在偏移和图像中包含有模式化的伪影，导致结果更差。此外，对于某些实验，拥有足够大的满井容量以从非常暗到非常亮的信号水平获取记录是至关重要的——这只有在高位深度和良好的容量下才可能实现。

　　最后，色心的位置是随机的，需要相对于钻石上的地标进行定位，以便进行进一步处理。一个大视野传感器将真正有助于加快整个过程，并使其非常可重复。

　　有了我们定制设置中的[Prime BSI]，我们可以进行以前无法进行的实验。-----蒂姆·施罗德博士，马滕·范德霍芬先生

　　解决方案

　　Maarten告诉我们，Prime BSI sCMOS相机对于他们的成像需求来说是一个非常好的解决方案，因为单个颜色中心可以被可靠地识别、可重复地定位和表征。Prime BSI已经成为颜色中心设置的首选成熟解决方案，这个小组最近为新系统购买了第二台相机。

　　除了使用Teledyne Photometrics Prime BSI sCMOS相机进行宽场采集外，这个自行构建的系统还包括Teledyne Princeton Instruments SpectraPro HRS 500光谱仪，配备ProEM EMCCD相机。由于光谱数据只能在事件发生的地点揭示，因此需要基于相机图像进行非常精确的定位，并通过高精度XY台将光谱仪测量引导到需要所有组件之间微妙互动的预定位置。Prime BSI和SpectraPro的快速和准确组合能够可靠地识别单个颜色中心的性质。凭借其astigmatism-corrected光路和可以切换和互换光栅转盘的灵活性，SpectraPro HRS光谱仪是此系统中Prime BSI的理想合作伙伴。

　　总的来说，Maarten表示：“我们可以使用自行构建的装置进行以前无法进行的实验。将进一步努力改进整个系统，以获得有关色心及其行为的更多见解，并最终推动我们在该研究小组的研究重点范围内对色心的理解和应用的技术进步。”