長久以來，光子數(shù)分辨PNR探測(cè)器領(lǐng)域始終面臨著一個(gè)難題：如何在實(shí)現(xiàn)高光子數(shù)分辨能力的同時(shí)，兼顧高探測(cè)效率、低暗計(jì)數(shù)、高響應(yīng)速度等實(shí)用化指標(biāo)？

2025年，中科院上海微系統(tǒng)所SNSPD小組在《ACS Photonics》發(fā)表的研究成果——系統(tǒng)探測(cè)效率達(dá)98%、光子數(shù)分辨能力高達(dá)32的PNR超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(PNR SNSPD)，終于打破這一困境，為量子光學(xué)研究注入新的活力。

一、PNR 探測(cè)器

要理解PNR探測(cè)器的重要性，我們先從量子光學(xué)的研究需求說起。在量子世界中，光子的行為充滿了隨機(jī)性和不確定性，而許多關(guān)鍵的量子效應(yīng)，比如光子的聚束與反聚束效應(yīng)、量子態(tài)的疊加與糾纏等，都需要通過精確測(cè)量光子數(shù)量來驗(yàn)證。以高斯玻色采樣（GBS）為例，作為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的重要途徑之一，它需要精確統(tǒng)計(jì)輸出光子的數(shù)量分布，以此來體現(xiàn)量子計(jì)算相較于經(jīng)典計(jì)算的速度優(yōu)勢(shì)。

然而，打造一款高性能的PNR探測(cè)器并非易事。理想的PNR探測(cè)器需要滿足多個(gè)嚴(yán)苛條件：

1.高探測(cè)效率：盡可能捕捉到每一個(gè)入射光子，減少光子損失；

2.高光子數(shù)分辨能力：準(zhǔn)確區(qū)分不同數(shù)量的入射光子；

3.低暗計(jì)數(shù)：在沒有光子入射時(shí)，盡量減少虛假計(jì)數(shù)，避免干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

4.快響應(yīng)速度：快速捕捉光子的到達(dá)時(shí)間和數(shù)量信息；

5.低時(shí)間抖動(dòng)：減少光子到達(dá)時(shí)間的測(cè)量誤差，提高時(shí)間分辨能力。

此前，實(shí)驗(yàn)室或者市面上的PNR探測(cè)器或多或少存在短板。比如超導(dǎo)過渡邊緣傳感器（TES），雖然具備一定的光子數(shù)分辨能力，但計(jì)數(shù)率通常低于1 MHz、時(shí)間抖動(dòng)在納秒級(jí)別，還需要100 mK的超低溫環(huán)境，難以滿足實(shí)際實(shí)驗(yàn)需求；傳統(tǒng)的SNSPD雖然探測(cè)效率高、暗計(jì)數(shù)低，但通常只能區(qū)分 "有光子" 和 "無光子"，無法實(shí)現(xiàn)多光子數(shù)分辨。雖然通過時(shí)間、空間復(fù)用等手段可以實(shí)現(xiàn)一定的光子數(shù)分辨能力，但光子數(shù)分辨數(shù)目往往小于10個(gè)。這些局限性，讓 PNR 探測(cè)器的應(yīng)用范圍受到極大限制，也制約了量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)向更高精度、更復(fù)雜場景的推進(jìn)。

二、突破瓶頸

面對(duì)PNR探測(cè)器領(lǐng)域的痛點(diǎn)，中科院上海微系統(tǒng)所SNSPD小組基于2020年開發(fā)的高探測(cè)效率SNSPD，經(jīng)過近5年時(shí)間的研發(fā)，通過創(chuàng)新的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的性能指標(biāo)，完美平衡了高探測(cè)效率、高光子數(shù)分辨能力的實(shí)用化需求。

1. 三明治雙層納米線結(jié)構(gòu)：近100%探測(cè)效率的秘訣

探測(cè)效率是PNR探測(cè)器的核心指標(biāo)之一，直接影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。為了實(shí)現(xiàn)高探測(cè)效率，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用了NbN/SiO?/NbN 三明治雙層超導(dǎo)納米線結(jié)構(gòu)，并將其置于分布式布拉格反射鏡（DBR）之上。

這種雙層納米線結(jié)構(gòu)能顯著增強(qiáng)對(duì)光子的吸收能力。傳統(tǒng)的單層納米線結(jié)構(gòu)在吸收光子時(shí)，部分光子可能會(huì)穿過納米線而無法被捕捉，導(dǎo)致探測(cè)效率損失。而雙層納米線結(jié)構(gòu)就像給光子設(shè)置了 "雙重關(guān)卡"，大大提高了光子的吸收概率。同時(shí)，DBR的存在進(jìn)一步增強(qiáng)了光的反射和吸收，讓入射光子在探測(cè)器內(nèi)部有更多機(jī)會(huì)被納米線捕捉。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試PNR SNSPD在1550 nm通信波長下，單光子系統(tǒng)探測(cè)效率（SDE）高達(dá)98%，且暗計(jì)數(shù)率僅為20 cps。這意味著，在實(shí)驗(yàn)中，每100 個(gè)入射光子中，有98 個(gè)能被探測(cè)器準(zhǔn)確捕捉，極大減少了光子損失對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖 1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)與效率性能圖：（a）探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖；（b）探測(cè)效率和暗計(jì)數(shù)曲線圖

2. 空間復(fù)用與分流電阻設(shè)計(jì)：32 光子分辨的核心

光子數(shù)分辨能力是PNR探測(cè)器的 "靈魂"。為了突破傳統(tǒng)SNSPD光子數(shù)分辨能力有限的瓶頸，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用了空間復(fù)用技術(shù)，并為每個(gè)像素配備了分流電阻。將探測(cè)器的感光區(qū)域（約20 μm×20 μm）劃分為32個(gè)像素，這些像素通過串聯(lián)方式連接，每個(gè)像素都并聯(lián)一個(gè)40 Ω的分流電阻。當(dāng)入射光子觸發(fā)某些像素時(shí)，像素中形成的熱點(diǎn)電阻會(huì)超過分流電阻的阻值，此時(shí)偏置電流會(huì)通過分流電阻產(chǎn)生輸出信號(hào)。由于不同像素的分流電阻阻值相近，輸出信號(hào)的幅度與入射光子的數(shù)量呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系 —— 入射光子數(shù)量越多，觸發(fā)的像素越多，輸出信號(hào)的幅度就越大。

通過這種設(shè)計(jì)，探測(cè)器能夠準(zhǔn)確區(qū)分1到32個(gè)入射光子。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)入射光子的平均數(shù)量為5時(shí)，示波器上能清晰觀察到8個(gè)分離的高斯峰，分別對(duì)應(yīng)1到8個(gè)光子；通過掃描光強(qiáng)，最多可觀察到32個(gè)高斯峰，證明了探測(cè)器卓越的光子數(shù)分辨能力。

圖2（c）器件分辨 1-32 個(gè)光子事件波形圖。（d）1-8 個(gè)光子輸出幅度統(tǒng)計(jì)分布圖。（e）不同光子數(shù)本征預(yù)報(bào)概率，對(duì)于 1-6 個(gè)光子，準(zhǔn)確分辨的概率超過 99%。

3. 讀出電路優(yōu)化

除了探測(cè)效率和光子數(shù)分辨能力，時(shí)間抖動(dòng)和計(jì)數(shù)率也是影響PNR探測(cè)器實(shí)用化的重要因素。時(shí)間抖動(dòng)過大會(huì)導(dǎo)致光子到達(dá)時(shí)間的測(cè)量誤差，影響時(shí)間相關(guān)實(shí)驗(yàn)的精度；計(jì)數(shù)率過低則無法滿足高吞吐量實(shí)驗(yàn)的需求。

為了降低時(shí)間抖動(dòng)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了探測(cè)器的讀出電路，采用低溫放大器和室溫二級(jí)放大器相結(jié)合的方式，有效提高了響應(yīng)信號(hào)的信噪比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，探測(cè)器在不同光子數(shù)下均表現(xiàn)出優(yōu)異的時(shí)間抖動(dòng)性能：1個(gè)光子時(shí)為382 ps，2個(gè)光子時(shí)為234 ps，32個(gè)光子時(shí)更是低至40.4 ps。在計(jì)數(shù)率方面，探測(cè)器同樣表現(xiàn)出色。當(dāng)探測(cè)效率下降3 dB時(shí)，計(jì)數(shù)率仍能達(dá)到41 MHz，滿足絕大多數(shù)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的高計(jì)數(shù)率需求。

4. 探測(cè)器層析成像：高保真度的驗(yàn)證

為了全面評(píng)估探測(cè)器的性能，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了探測(cè)器層析成像實(shí)驗(yàn)，通過重構(gòu)正算符值測(cè)量（POVM）元素，分析探測(cè)器對(duì)不同光子數(shù)事件的探測(cè)保真度。將平均光子數(shù)μ從0.1調(diào)整到5，覆蓋了大多數(shù)實(shí)驗(yàn)場景下的光子數(shù)范圍，記錄不同μ值下的脈沖幅度計(jì)數(shù)，構(gòu)建輸入矩陣I和輸出矩陣O，再重構(gòu)出保真度矩陣P。

結(jié)果顯示，探測(cè)器在多光子事件探測(cè)中表現(xiàn)出高保真度：單光子探測(cè)保真度為97.5%，雙光子為87.4%，三光子為73.4%，四光子為40.5%，證明了探測(cè)器在準(zhǔn)確重構(gòu)入射光子數(shù)狀態(tài)方面的卓越能力。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證保真度矩陣的準(zhǔn)確性，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用重構(gòu)的保真度矩陣進(jìn)行量子態(tài)重構(gòu)，將重構(gòu)的輸入分布與預(yù)期輸入分布進(jìn)行對(duì)比。通過計(jì)算 Hellinger 距離（一種衡量概率分布相似性的指標(biāo)）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)μ<1.5時(shí)，H值通常小于 0.1，表明重構(gòu)結(jié)果與實(shí)際輸入高度吻合，進(jìn)一步證實(shí)了探測(cè)器的高保真度。

三、實(shí)用化的意義

PNR SNSPD實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，不僅是探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域的一次突破，更將為量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來一系列深遠(yuǎn)影響，推動(dòng)多個(gè)量子領(lǐng)域的發(fā)展。

1. 高斯玻色采樣：量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)驗(yàn)證的強(qiáng)力支撐

高斯玻色采樣作為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的重要方向，其核心是通過統(tǒng)計(jì)輸出光子的數(shù)量分布來體現(xiàn)量子計(jì)算的速度優(yōu)勢(shì)。此前，由于PNR探測(cè)器性能的限制，GBS實(shí)驗(yàn)往往難以準(zhǔn)確獲取大量光子的數(shù)量信息，影響量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的驗(yàn)證效果。

具備32光子分辨能力和98%的高探測(cè)效率的PNR SNSPD，能準(zhǔn)確捕捉GBS實(shí)驗(yàn)中輸出光子的數(shù)量分布，為GBS實(shí)驗(yàn)提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，41 MHz 的高計(jì)數(shù)率能加快實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集速度，縮短實(shí)驗(yàn)周期，助力科學(xué)家更高效地驗(yàn)證量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)。

2. 量子通信：提升密鑰分發(fā)的安全性與效率

在量子密鑰分發(fā)（QKD）中，竊聽者可能通過截獲和重發(fā)光子來獲取密鑰信息。PNR探測(cè)器能通過精準(zhǔn)分辨光子數(shù)量，有效區(qū)分合法信號(hào)（通常為單光子）和竊聽者的干擾信號(hào)（可能包含多光子），從而提高QKD的安全性。

PNR SNSPD不僅能準(zhǔn)確分辨單光子和多光子，還具備低暗計(jì)數(shù)率和高探測(cè)效率的優(yōu)勢(shì)。低暗計(jì)數(shù)率減少了虛假信號(hào)對(duì)密鑰生成的干擾，高探測(cè)效率則提高了密鑰生成的速率，為量子通信的實(shí)用化推廣提供了關(guān)鍵支撐。

3. 量子計(jì)量：高精度測(cè)量的新工具

量子計(jì)量利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典極限的測(cè)量精度，在原子鐘、引力波探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在量子計(jì)量實(shí)驗(yàn)中，往往需要精確測(cè)量光子的數(shù)量和到達(dá)時(shí)間，對(duì)探測(cè)器的性能提出了極高要求。

PNR SNSPD兼具高光子數(shù)分辨能力、低時(shí)間抖動(dòng)和高探測(cè)效率，能滿足量子計(jì)量實(shí)驗(yàn)對(duì)光子測(cè)量精度的嚴(yán)苛需求。比如在原子鐘實(shí)驗(yàn)中，它可以準(zhǔn)確測(cè)量光子的到達(dá)時(shí)間，提高原子鐘的精度；在引力波探測(cè)中，它能捕捉到引力波引起的光子數(shù)量變化，助力科學(xué)家更精準(zhǔn)地探測(cè)引力波。

4. 基礎(chǔ)量子光學(xué)研究：探索量子世界的新視角

除了上述應(yīng)用領(lǐng)域，PNR SNSPD還將為基礎(chǔ)量子光學(xué)研究提供新的工具，幫助科學(xué)家探索更多未知的量子效應(yīng)。

比如在多光子糾纏實(shí)驗(yàn)中，此前由于探測(cè)器光子數(shù)分辨能力的限制，科學(xué)家難以準(zhǔn)確觀察多光子糾纏的細(xì)節(jié)。能分辨32個(gè)光子的PNR SNSPD，為研究多光子糾纏提供了更精準(zhǔn)的觀測(cè)手段，有望推動(dòng)多光子糾纏理論的發(fā)展。

在光子聚束和反聚束效應(yīng)的研究中，高探測(cè)效率和低暗計(jì)數(shù)率能讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，幫助科學(xué)家更深入地理解光子的統(tǒng)計(jì)特性，為量子光學(xué)理論的完善提供實(shí)驗(yàn)支撐。

四、未來展望

雖然PNR SNSPD已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化，但在性能優(yōu)化和應(yīng)用拓展方面，仍有巨大的潛力等待挖掘。

1. 進(jìn)一步提升光子數(shù)分辨能力

目前，探測(cè)器能分辨32個(gè)光子，但通過以下方法，有望將這一指標(biāo)進(jìn)一步提升：

• 提高納米線的開關(guān)電流：探測(cè)器目前采用的納米線開關(guān)電流約為18 μA，通過優(yōu)化器件襯底、超導(dǎo)材料和納米線制備工藝，將開關(guān)電流提升至25-30 μA，有望將光子數(shù)分辨能力提升至50以上；

• 結(jié)合時(shí)空復(fù)用技術(shù)：時(shí)間復(fù)用技術(shù)已被證明能實(shí)現(xiàn)100以上的光子數(shù)分辨，未來可以將空間復(fù)用與時(shí)間復(fù)用相結(jié)合，在保持高計(jì)數(shù)率的同時(shí)，進(jìn)一步提升光子數(shù)分辨能力；

• 利用脈沖的多維度信息：除了脈沖幅度，脈沖的上升沿、下降沿等信息也包含了光子數(shù)的相關(guān)信息。未來，可以通過分析這些多維度信息，進(jìn)一步提高光子數(shù)分辨的準(zhǔn)確性和范圍。

2. 拓展波長響應(yīng)范圍

目前，探測(cè)器主要針對(duì)1550 nm通信波長進(jìn)行優(yōu)化，但超導(dǎo)納米線本身具備寬光譜響應(yīng)特性，未來項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以通過調(diào)整納米線的材料和結(jié)構(gòu)，拓展探測(cè)器的波長響應(yīng)范圍，使其在可見光、近紅外甚至中紅外區(qū)域都能保持優(yōu)異性能。

這將讓探測(cè)器在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，比如在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于熒光成像實(shí)驗(yàn)中的光子計(jì)數(shù)；在天文學(xué)領(lǐng)域，可用于探測(cè)天體發(fā)出的紅外光子，助力天體物理研究。

3. 集成化與小型化

為了更好地適應(yīng)量子實(shí)驗(yàn)的集成化趨勢(shì)，未來將優(yōu)化探測(cè)器的封裝工藝，降低實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜度，推動(dòng)PNR SNSPD的集成化與小型化，讓更多實(shí)驗(yàn)室能夠便捷地使用高性能的PNR探測(cè)器，推動(dòng)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的普及。

五、結(jié)語

從理論構(gòu)想到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從性能突破到實(shí)用化落地，PNR SNSPD經(jīng)歷了無數(shù)次的嘗試與優(yōu)化，終于打破了PNR探測(cè)器實(shí)用化的瓶頸，為量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一款性能卓越的工具。

在量子科技飛速發(fā)展的今天，探測(cè)器技術(shù)的進(jìn)步往往能推動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域的突破。PNR SNSPD將成為量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要工具，助力科學(xué)家在量子計(jì)算、量子通信、量子計(jì)量等領(lǐng)域取得更多重大成果，推動(dòng)量子科技走向更廣闊的未來。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00508