以下文章來源于光子盒公眾號，作者光子盒研究院

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超高速超導(dǎo)單光子探測器成果簡介

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所李浩、尤立星團隊，利用三明治結(jié)構(gòu)超導(dǎo)納米線、多線并行工作的方式實現(xiàn)最大計數(shù)率5GHz、光子數(shù)分辨率61的超高速、光子數(shù)可分辨光量子探測器，相關(guān)成果以“Superconducting single photon detector with speed of 5 GHz and photon number resolution of 61”為題于2024年5月31日在線發(fā)表在中國科學(xué)院一區(qū)學(xué)術(shù)期刊《光子學(xué)研究》（Photonics Research）上，并入選編輯推薦（Editor's Pick）。

來源：Photonics Research

高速、光子可數(shù)分辨的單光子探測技術(shù)在深空激光通信（月地、火地等）、高速量子密鑰分發(fā)、光量子計算等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)的單光子探測器，如雪崩光電二極管和光電倍增管，在效率、速度和時間分辨率等方面難以滿足當(dāng)前應(yīng)用需求；超導(dǎo)轉(zhuǎn)變沿傳感器具有較好的光子數(shù)分辨能力和較高的探測效率，但具有較低的探測速度和較大的時間抖動，同時需要極低工作溫度和復(fù)雜的讀出制冷系統(tǒng)。

近年來，超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD或SSPD）因其高效率、低暗計數(shù)率和優(yōu)異的時間分辨率，在量子通信、光學(xué)量子計算和量子力學(xué)原理驗證等方面廣泛應(yīng)用。盡管傳統(tǒng)的單元SSPD具有出色的性能，但由于其讀出電路和探測器恢復(fù)時間限制，其探測速率（計數(shù)率）通常僅有幾十MHz。此外，單元SSPD的光子數(shù)分辨能力受到超導(dǎo)到正常態(tài)強非線性轉(zhuǎn)變的限制，利用響應(yīng)波形等信息區(qū)分光子數(shù)時測量難度較大。多像素SSPD陣列是一種由納米線并行工作的新型器件架構(gòu)，與單元SSPD相比，多像素器件可通過并行工作增強計數(shù)率和光子數(shù)分辨能力，為高速光子的探測和光子數(shù)分辨提供了優(yōu)異的解決方案。

(a)器件結(jié)構(gòu)，(b)超導(dǎo)納米線，(c)器件封裝，(d)制冷系統(tǒng)

(a)器件探測效率隨偏置電流的變化關(guān)系，(b)探測效率隨探測速率的變化關(guān)系

光子數(shù)統(tǒng)計分布隨入射光強的變化關(guān)系

在這項工作中，項目團隊研制了高效率、超高速、高光子數(shù)分辨率的超導(dǎo)探測器集成系統(tǒng)。為保證探測系統(tǒng)的輕便、可靠性，該項目搭建基于GM小型制冷機制冷集成系統(tǒng)，支持64路電通道，最低工作溫度為2.3 K。探測器芯片在分布式布拉格反射器上集成64條超導(dǎo)納米線，兼顧提高光子吸收率和探測速度。經(jīng)表征，納米線制備良率為61/64，在1550 nm波長下的系統(tǒng)探測效率達90%，最大計數(shù)率為5.2 GHz，探測效率下降3 dB時計數(shù)率為1.7 GHz，光子數(shù)分辨率為61。該探測系統(tǒng)代表了光量子探測技術(shù)的重大突破，其卓越的性能指標(biāo)將有望支撐深空激光通信、高速率量子通信以及基礎(chǔ)量子光學(xué)實驗等應(yīng)用。

對話超高速SSPD背后的男人

對于此次的研究成果，讀者朋友們也許有很多好奇和關(guān)心，光子盒有幸邀請到這項研究成果的主要參與者進行一番對話，讓我們一起來了解一下吧！

李浩，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員、博導(dǎo)，博士畢業(yè)于中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所。

呂超林，賦同量子（浙江）科技有限公司首席技術(shù)官，博士畢業(yè)于中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所。

Q1：近些年，團隊在SSPD領(lǐng)域成果頻出，這些成果之間是怎樣的關(guān)系？

A：我們這個課題組在過去十多年里最核心的一個工作就是單光子探測器探測效率的提升，目前我們已經(jīng)把探測效率（探測器的核心性能指標(biāo)）做到了98%這樣一個國際最優(yōu)水平，器件已經(jīng)大量應(yīng)用在量子信息技術(shù)（例如“九章”光量子計算、遠距離量子通信等）。后面還會持續(xù)地往上做，提升效率同時提高制備良率等。

Q2：這次成果最大的亮點是什么？

A：本次工作主要在探測器速度，高速探測這塊做了一個主要的進步。在保證高探測效率的同時，大大提升了另外一個性能指標(biāo)——探測速率。在一些特定的應(yīng)用場景，如橫跨幾千萬公里的深空光通信，需要同時實現(xiàn)高效和高速探測。十年前，NASA率先實現(xiàn)月地激光通信LLCD實驗，地面接收機通過利用多像素的高速SSPD實現(xiàn)高達622 Mbps的下行速率。我國目前在該應(yīng)用領(lǐng)域研究起步較晚。這次成果，我們針對高速探測應(yīng)用需求進行了芯片、電路和制冷機的高度集成，將探測系統(tǒng)提升到64通道，實現(xiàn)了最大5 GHz的超高速探測。我們未來可以做到百通道，并且可以直接切換到多通道單元器件的集成系統(tǒng)，支撐研究工作對多路探測器的應(yīng)用需求。

Q3：您反復(fù)提到“通道”，請您進一步介紹通道數(shù)變多，對系統(tǒng)整體的性能以及它作為支撐其他工程項目來說意味著什么？

A：一方面，通道越多，SSPD速率就可以做到更高，因為速率和通道數(shù)基本上呈線性關(guān)系。另一方面，SSPD系統(tǒng)的成本之一是制冷成本，在同一個制冷機里集成更多通道的SSPD器件，可以有效降低SSPD系統(tǒng)的成本。

Q4：SSPD的優(yōu)勢您都介紹到了，那系統(tǒng)是否存在一些劣勢？

A：除SSPD外，還有很多其他光子探測器（比如光電倍增管、雪崩光電二極管、基于量子點的單光子探測器、可見光子計數(shù)器、基于頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的單光子探測器）。首先，相對其他探測器，超導(dǎo)探測器性能具有絕對優(yōu)勢，不足的地方，一是需要制冷機、系統(tǒng)復(fù)雜度相對更高。二是，應(yīng)用市場有限，目前主要應(yīng)用于量子信息技術(shù)、微弱光的檢測。

Q5：與國際同行相比，咱們團隊大概是怎樣的情況？

A：我們目前在器件的探測效率、探測速率、暗計數(shù)率等技術(shù)指標(biāo)方面可以做到國際領(lǐng)先水平。在探測系統(tǒng)集成度和易用性方面，大家各有優(yōu)劣。在應(yīng)用方面，也各有千秋，比如量子信息，我國相對比較領(lǐng)先，而深空激光通信，我們?nèi)孕枰汾s。

Q6：下一步研究計劃是什么?

A：隨著探測器性能尤其是單光子探測效率接近100%探測極限，我們將進入到新的研究階段——光子數(shù)分辨探測。傳統(tǒng)探測器無法有效分辨光脈沖中的光子數(shù)目，而我們本次研究結(jié)果不僅能探測，還將光子分辨數(shù)目提升至61，這是一個很高的水平。還有一個重要方向就是通過更少的通道，比如單個通道便可以實現(xiàn)20甚至30個以上的光子數(shù)分辨。目前我們也已經(jīng)取得一些重要突破，希望近期就可以推向應(yīng)用。

Q7：從實驗室到科技成果轉(zhuǎn)化，賦同的產(chǎn)品推出大概是怎樣的一個節(jié)奏或模式？

A：一般需要花一年左右時間，通常是我們從市場上收集多方需求，然后針對性地提出多種方案進行同時嘗試，最后根據(jù)測試結(jié)果將方案定型和產(chǎn)品化。

Q8：賦同量子接下來會有哪些可以讓我們期待的成果嗎？

A：我們將實現(xiàn)高保真度光子數(shù)分辨器件的產(chǎn)業(yè)化，單通道器件最高可支持20甚至30個以上的光子數(shù)分辨，來滿足光量子計算、量子隨機行走、量子基本原理驗證等應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

知識補充：美國深空光通信項目簡介

微器件實驗室（Microdevices Laboratory, MDL）是噴氣推進實驗室（JPL）的一部分，專注于微型和納米器件的研究和開發(fā)。MDL致力于支持JPL和NASA的科學(xué)任務(wù)，通過開發(fā)關(guān)鍵的微器件技術(shù)，使得各種儀器和任務(wù)成為可能。

SNSPD是從紫外到中紅外范圍內(nèi)綜合性能最優(yōu)的單光子探測器，因此成為美國國家航空航天局（NASA）和噴氣推進實驗室（JPL）深空光通信（Deep Space Optical Communications，DSOC）項目的重要支撐研發(fā)項目。自2005年以來，MDL在這一獨特技術(shù)的開發(fā)方面一直處于世界領(lǐng)先地位，并且在探測效率、時間分辨率、有效面積和暗計數(shù)方面保持著世界紀(jì)錄。

2013年，NASA成功實現(xiàn)38萬公里的月地激光通信演示實驗（Lunar Laser Communications Demonstration，LLCD），多像素SNSPD被部署在地面終端，實現(xiàn)622 Mbps的下行傳輸速率。隨后，開始部署DSOC項目，將在多種距離上演示激光通信鏈路的可行性，最遠可達2.7天文單位（AU），將激光通信的演示距離從LLCD的水平擴展1000倍。為了接收從小行星傳來的微弱信號，MDL開發(fā)了一種獨特的64像素SNSPD陣列傳感器，能夠以百皮秒的準(zhǔn)確度標(biāo)記單個光子的到達時間，探測速率超過每秒十億次。2023年12月，DSOC項目的“靈神號”探測器將一段時長15秒的超高清視頻從距地球約3100萬公里的深空發(fā)送回地球，這一距離是地球與月亮之間距離的大約80倍。視頻傳至地面用時101秒，最大傳輸速率為每秒267Mbps。

美國航天局希望，借助激光通信，從深空傳輸數(shù)據(jù)的速度能比目前使用的最先進無線電通信技術(shù)快10至100倍，以便滿足未來人類登上火星后傳輸復(fù)雜信息以及高清圖像和視頻的需要。

參考鏈接

[1]https://microdevices.jpl.nasa.gov/news/superconducting-nanowire-single-photon-detectors-for-dsoc/

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/2pwpiJf4NBC_-lYQHYSMhw

[3]https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-12-6-1328&id=551302