單光子探測(cè)器是進(jìn)行光子探測(cè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它通常只能探測(cè)光子的有或者沒(méi)有，不能直接給出光量子態(tài)的完整信息，要想從探測(cè)結(jié)果來(lái)重構(gòu)光量子態(tài)信息，需要結(jié)合其他的理論和實(shí)驗(yàn)手段。目前在可見(jiàn)和紅外波段，單個(gè)光子的能量約為10-19 j，實(shí)現(xiàn)對(duì)如此低能量粒子的準(zhǔn)確探測(cè)是很有挑戰(zhàn)的工作。早期的單光子主要是光電倍增管，隨著材料科學(xué)和量子信息科學(xué)的發(fā)展，單光子探測(cè)器的類(lèi)型也逐漸豐富起來(lái)，這里主要介紹單光子探測(cè)器性能的主要指標(biāo)：特征波長(zhǎng)范圍，死時(shí)間，暗計(jì)數(shù)，探測(cè)效率，時(shí)間抖動(dòng)，光子數(shù)分辨能力。
探測(cè)器的特征波長(zhǎng)范圍指的是探測(cè)器能夠響應(yīng)的光譜頻率范圍。目前的單光子探測(cè)器都只對(duì)某一波段的光子敏感，這是由探測(cè)器的制作材料及加工工藝決定的，而探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性也決定了它的應(yīng)用范圍。例如對(duì)自由空間的量子通信來(lái)說(shuō)，使用的光子波長(zhǎng)主要集中在可見(jiàn)光波段400nm-1060nm或者近紅外波段900nm-1700nm，需要對(duì)這一波段較敏感的探測(cè)器 ;而對(duì)于光通信來(lái)說(shuō)，由于光纖在1550nm這個(gè)波長(zhǎng)具有最小的損耗，所以對(duì)基于光纖的量子信息網(wǎng)絡(luò)，探測(cè)器必須對(duì)1550nm光子有足夠高的探測(cè)效率。
當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到一個(gè)光子之后，在一定的時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器不能響應(yīng)新的光子，這一段時(shí)間稱(chēng)為探測(cè)器的死時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)死時(shí)間越短越好。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，死時(shí)間取決于探測(cè)器的電子學(xué)后處理系統(tǒng)而非探測(cè)器的感光材料。例如，對(duì)于基于雪崩二極管的單光子探測(cè)器，當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到一個(gè)光子之后，探測(cè)器需要抑制這個(gè)信號(hào)帶來(lái)的后脈沖信號(hào)，這樣就必須將探測(cè)器關(guān)斷一段時(shí)間，等到前一個(gè)探測(cè)器的后脈沖信號(hào)基本消除之后才能重新開(kāi)啟，這一段時(shí)間就是雪崩二極管的單光子探測(cè)器的死時(shí)間，可見(jiàn)光波段400nm-1060nm探測(cè)器的死時(shí)間一般固定為33ns,近紅外波段900nm-1700nm探測(cè)器的死時(shí)間一般從500ns到1ms可調(diào)，死時(shí)間決定了探測(cè)器的計(jì)數(shù)率。
當(dāng)沒(méi)有光子進(jìn)入探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器仍然有計(jì)數(shù)率，這就是暗計(jì)數(shù)。暗計(jì)數(shù)是由于感光材料的缺陷，電壓偏置和外界環(huán)境的干擾比如溫度，濕度，熱噪聲等因素引起的。暗計(jì)數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的信噪比有直接影響，因此降低暗計(jì)數(shù)是單光子探測(cè)器發(fā)展的重要目標(biāo)。富泰科技提供aurea technology的單光子探測(cè)器暗計(jì)數(shù)可以做到小于25cps.探測(cè)效率指的是當(dāng)有光子進(jìn)入探測(cè)器的時(shí)候，它被探測(cè)到的概率。目前商用探測(cè)器的探測(cè)效率約為70%，如aurea technology生產(chǎn)的spd_a_vis.提高探測(cè)效率在幾乎所有的量子信息研究中都有非常重要的意義，尤其在光量子計(jì)算領(lǐng)域，量子通信領(lǐng)域。時(shí)間抖動(dòng)指的是不同光子進(jìn)入探測(cè)器被轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)這一過(guò)程的時(shí)間晃動(dòng)。如果探測(cè)器時(shí)間抖動(dòng)大，而測(cè)量的時(shí)間周期比較短，則有可能最終使得在前一個(gè)周期探測(cè)到的光子，最終被計(jì)入到后一個(gè)周期的計(jì)數(shù)中去，這樣就會(huì)造成錯(cuò)誤。因此，減小時(shí)間抖動(dòng)也是單光子探測(cè)器的一個(gè)重要目標(biāo)。商用單光子探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)目前可以減小到200ps.
光子分辨能力指的是當(dāng)多個(gè)光子同時(shí)到達(dá)探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器能否準(zhǔn)確給出到達(dá)光子的數(shù)目。目前大部分類(lèi)型的單光子探測(cè)器都是真空態(tài)探測(cè)器，只能分辨有或者沒(méi)有光子到達(dá)，而無(wú)法分辨到達(dá)光子數(shù)目。對(duì)于目前的線性光學(xué)量子計(jì)算來(lái)說(shuō)，由于參量下轉(zhuǎn)換的糾纏光源是有概率性的，因此會(huì)有同時(shí)產(chǎn)生多對(duì)光子的情況，從而降低信噪比。如果具有高效率的光子數(shù)可解的單光子探測(cè)器，將極大地推進(jìn)光量子的發(fā)展。目前主流的單光子探測(cè)器：光電倍增管是代單光子探測(cè)器，工作在蓋革模式基于雪崩二極管的單光子探測(cè)器，高探測(cè)效率極低暗計(jì)數(shù)超導(dǎo)單光子探測(cè)器，基于量子點(diǎn)和半導(dǎo)體缺陷的單光探測(cè)器，采用頻率上轉(zhuǎn)換將1550nm光子轉(zhuǎn)換成775nm附近光子再用高效率雪崩二極管探測(cè)器探測(cè)的頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)器。