空间辐射环境中SPAD的量子模拟

单光子雪崩二极管（SPAD）是新兴量子通信网络中检测单光子的关键组件。它们被放置在卫星上进行长距离通信，并且容易受到空间中辐射引起的位移损伤。这会降低SPAD的性能参数，包括效率降低、热暗计数增加、硅晶体损伤以及后脉冲率增加。本文通过引入量子模拟框架来模拟空间辐射环境中的SPAD，将SPAD探测器建模为三能级量子系统：基态（$|g\rangle$）、激发态（$|e\rangle$）和陷阱态（$|t\rangle$）。此外，为了将光子建模为量子系统，使用了二次量子化和Fock空间截断。使用Jaynes-Cummings模型模拟光子-SPAD封闭系统之间的相互作用，开放系统动力学由Lindblad主方程和Qiskit的基于门的噪声通道控制。通过SPAD的量子模拟获得了关键特性，如效率、时间抖动、热暗计数以及后脉冲和辐射效应。这种方法与传统的TCAD模拟有显著不同，后者依赖于半经典近似，无法捕捉单光子相互作用的离散量子统计和陷阱态的动力学。