論文の概要: Quantum Simulation of SPAD in the Space Radiation Environment

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.00040v1
• Date: Thu, 23 Jul 2026 06:42:54 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-08-09 10:00:34.263104
• Title: Quantum Simulation of SPAD in the Space Radiation Environment
• Title（参考訳）: 宇宙放射線環境におけるSPADの量子シミュレーション
• Abstract要約: 単一光子アバランシェダイオード(SPAD)は、単一光子を検出する新しい量子通信ネットワークの重要な構成要素である。 本稿では,空間放射環境におけるSPADのシミュレーションを行う。 SPADの量子シミュレーションにより, 効率, タイミングジッタ, 熱暗黒数, アフターパルスと放射効果などの重要な特性が得られた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
• Abstract: Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) are critical components of emerging quantum communication networks that detect single photons. They are placed in satellites for long-distance communication and are susceptible to radiation-induced displacement damage in space. This degrades SPAD performance parameters, including reduced efficiency, increased thermal dark counts, damage to the Si crystal, and increased afterpulsing rate. This paper simulates SPAD in a space radiation environment by introducing a quantum simulation framework, modeling the SPAD detector as a three-level quantum system, ground state ($|g\rangle$), excited state ($|e\rangle$) and a trap state ($|t\rangle$). Furthermore, to model the photon as a quantum system, second quantization and Fock-space truncation are used. The interaction between the photon-SPAD closed system is simulated using the Jaynes-Cummings model, and the open-system dynamics is governed by the Lindblad master equation and Qiskit's gate-based noise channels. The key characteristics, such as the efficiency, timing jitter, thermal dark counts, and afterpulsing \& radiation effects, are obtained using quantum simulation of SPAD. This approach differs significantly from conventional TCAD simulations, which rely on semiclassical approximations that do not capture the discrete quantum statistics of single-photon interactions and the dynamics of trap states.
• Abstract（参考訳）: 単一光子アバランシェダイオード(SPAD)は、単一光子を検出する新しい量子通信ネットワークの重要な構成要素である。 長距離通信用の衛星に搭載されており、宇宙空間における放射線による変位の被害を受けやすい。 これはSPAD性能パラメータを劣化させ、効率の低下、熱暗黒数の増加、Si結晶の損傷、アフターパルス速度の増大を含む。 本稿では,SPAD検出器を3レベル量子システム,基底状態(|g\rangle$),励起状態(|e\rangle$),トラップ状態(|t\rangle$)としてモデル化し,宇宙放射線環境におけるSPADのシミュレーションを行う。 さらに、光子を量子系としてモデル化するために、第二量子化とフォック空間の切り離しを用いる。 フォトン-SPAD閉系間の相互作用はJaynes-Cummingsモデルを用いてシミュレートされ、開系力学はリンドブラッドマスター方程式とキースキットのゲートベースノイズチャネルによって制御される。 SPADの量子シミュレーションにより, 効率, タイミングジッタ, 熱暗黒数, アフターパルス \&放射効果などの重要な特性が得られた。 このアプローチは、単光子相互作用の離散量子統計とトラップ状態のダイナミクスを捉えない半古典的な近似に依存する従来のTCADシミュレーションとは大きく異なる。

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