單光子探測器電子學關鍵器件的ASIC晶片研究

《單光子探測器電子學關鍵器件的ASIC晶片研究》是依託中國科學技術大學，由梁福田擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：單光子探測器電子學關鍵器件的ASIC晶片研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：梁福田
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

量子密鑰分發是量子保密通信/量子網路發展的重要議題，設備小型化成為主要的研究方向。單光子探測器是量子密鑰分發過程中的重要器件，本課題為探測器的前端電子學關鍵器件設計專用積體電路晶片（ASIC），以促進量子密鑰分發系統的小型化。. 探測器前端涉及高速窄脈衝技術，用分立器件構建時體積和功耗較大，不利於冷卻。採用ASIC技術對現有探測器前端電路做集成，電路板面積大幅減小，信號驅動功耗降低。而且ASIC晶片可以與單光子探測器一起封裝入製冷盒，由於沒有長傳輸線和較大寄生參數的影響，電子學的最高速率得到提升。而整體製冷使噪聲降低，後脈衝機率減小到最低，可提高最大計數率和成碼率。單光子探測器和前端電子學的小型化和高速化，有利於多通道的集成，對瘦客戶端量子網路的推廣也具有重要意義。. 本項目以探測器前端電子學關鍵器件的晶片集成化作為起步，並在後繼工作中實現探測器電子學整體的晶片集成化。

結題摘要

量子密鑰分發是量子保密通信/量子網路發展的重要議題，設備小型化成為主要的研究方向。單光子探測器是量子密鑰分發過程中的重要器件，本課題為探測器的前端電子學關鍵器件設計專用積體電路晶片（ASIC），以促進量子密鑰分發系統的小型化。 矽基可控延時線和甄別器是項目申請時確定的主攻關鍵器件。經過調研、結構選型、前後仿真等步驟確認了流片嘗試的設計方案，利用與其他項目共同流片的機會，進行了兩次較為正式的MPW流片。採用130nm CMOS工藝，成功實測得到了58ps的延時單元可以用於延時線設計，甄別器則在一次流片反饋後，修改完善設計，達到了最小固有延時280ps，最小輸入脈寬200ps的甄別能力。 本項目於2014年申請，2015~2017年執行，在項目實施過程中，更多的元件晶片集成需求被提出，申請人主導了量子通信科研團隊中的晶片設計工作。除本項目的兩個設計外，還設計了高速物理隨機數晶片用於提升系統性能，其集成度、性能指標遠超商用產品。該晶片已經基本定型，計畫用於航天和地面高級程度的QKD系統中。 在本項目的基礎上，已經形成4篇已發布、已接受論文，先後有10名研究生工作在本課題方向內，已有2人直接在本課題方向畢業。另外有1項準備申請的專利。 更大規模的QKD系統光源與接收器的前端晶片集成設計工作已經開始，將利用本項目的成果，並繼續突破創新，形成更完整的QKD前端集成型功能晶片服務於量子通信項目。