在生物醫(yī)藥實(shí)驗(yàn)室里，科研人員常常面臨一個(gè)棘手的難題：許多生物樣本對紅外光極為敏感，高強(qiáng)度照射會導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象改變、DNA鏈斷裂，而傳統(tǒng)光譜儀在低光條件下又會被噪聲淹沒，無法捕捉到分子的真實(shí)“指紋”。

最近，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的SNSPD研究小組用“超導(dǎo)探測器+量子關(guān)聯(lián)”的組合拳打破了這個(gè)僵局。這款全新的中紅外光譜平臺，憑借超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）的超高靈敏度，搭配量子關(guān)聯(lián)的噪聲篩選能力，實(shí)現(xiàn)了超低光環(huán)境下的精準(zhǔn)檢測，讓生物樣本“無損傷”光譜分析成為現(xiàn)實(shí)。

中紅外光譜（2.5-25 微米）是解析分子結(jié)構(gòu)的 “火眼金睛”—— 從化學(xué)成分鑒定、環(huán)境污染物追蹤，到生物醫(yī)藥領(lǐng)域的疾病診斷，它都能通過捕捉分子振動的獨(dú)特 “指紋” 輸出精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。目前實(shí)驗(yàn)室的主流工具傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），雖以寬光譜覆蓋、高分辨率穩(wěn)居行業(yè)標(biāo)桿地位，但其 “探測器” 這一核心部件仍面臨瓶頸。

傳統(tǒng) FTIR 采用的氘化三甘氨酸硫酸鹽（DTGS）或碲鎘汞（HgCdTe）探測器，有個(gè)主要局限：低光子通量下靈敏度會顯著下降。更棘手的是，中紅外波段的室溫黑體輻射強(qiáng)度，比可見光 / 近紅外波段高出 10¹⁰-10¹⁵倍，海量背景噪聲會直接 “淹沒” 微弱的分子信號，讓光譜圖變得一片模糊。

這就形成了無解的 “兩難困境”：想要清晰信號，就得提高光照強(qiáng)度，但光敏樣本根本扛不住 —— 幾毫瓦每平方厘米的紅外輻射，就可能破壞水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)、改變酶活性，導(dǎo)致檢測結(jié)果失真；可一旦降低光照強(qiáng)度，信號又會被噪聲吞噬，連有效分析都無法完成。

為突破瓶頸，科研人員試過不少創(chuàng)新方案：非線性干涉光譜（NIS）用關(guān)聯(lián)光子間接探測，雙梳光譜（DCS）靠光學(xué)頻率梳提分辨率，頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)把中紅外光子轉(zhuǎn)成可見光或近紅外檢測…… 但這些技術(shù)要么干涉可見度低、受相位噪聲影響大，要么需要強(qiáng)泵浦場和復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，“低光下信噪比差” 的核心痛點(diǎn)呼喚著探測技術(shù)的新范式與根本性突破——超導(dǎo)探測器的出現(xiàn)有望打破這一僵局。

面對傳統(tǒng)技術(shù)的僵局，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將超導(dǎo)納米線單光子探測（SNSPD）與量子關(guān)聯(lián)兩大前沿技術(shù)創(chuàng)新融合，打造出全新的中紅外光譜檢測平臺 —— 前者是 “超級捕光手”，后者是 “精準(zhǔn)降噪器”，二者配合打破了低光檢測的瓶頸。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1. 超導(dǎo)探測器（SNSPD）：中紅外波段的 “靈敏度天花板”

作為近年探測領(lǐng)域的 “明星技術(shù)”，SNSPD 在可見光與近紅外波段的性能堪稱頂尖：系統(tǒng)探測效率接近 100%，計(jì)數(shù)率超 5GHz，暗計(jì)數(shù)低于 0.1 次 / 秒，時(shí)間抖動小于 10 皮秒，各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)探測器。隨著超導(dǎo)材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的突破，SNSPD 的 “能力圈” 成功延伸至中紅外波段。本次研究中，團(tuán)隊(duì)采用此前研發(fā)的 γ-Nb₄N₃基中紅外 SNSPD，在 2.95 微米波長實(shí)現(xiàn)32.5%的器件探測效率（包括光吸收效率和本征探測效率），為捕捉微弱分子信號筑牢了基礎(chǔ)。

更關(guān)鍵的是，團(tuán)隊(duì)為中紅外 SNSPD 定制了 “專屬降噪裝備”—— 中心波長 3460 納米、帶寬 140 納米的低溫帶通濾波器。這一設(shè)計(jì)既能精準(zhǔn)抑制室溫黑體輻射（中紅外 SNSPD 的主要噪聲源），又能聚焦目標(biāo)檢測波段，且濾波器可按需更換，大幅提升了設(shè)備適用性。

2. 量子關(guān)聯(lián)：給光子 “配對”，實(shí)現(xiàn)噪聲 “精準(zhǔn)篩選”

中紅外波段的背景噪聲極強(qiáng)，即便 SNSPD 也難免受干擾。這時(shí)，量子關(guān)聯(lián)技術(shù)就成了 “降噪神器”，與超導(dǎo)探測器形成完美互補(bǔ)。團(tuán)隊(duì)利用PPLN晶體，通過 “自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換” 生成一對 “心有靈犀” 的關(guān)聯(lián)光子對：一個(gè)進(jìn)入中紅外波段（信號光子），穿過樣本時(shí)攜帶分子振動信息；另一個(gè)留在近紅外波段（閑頻光子），作為 “參照物” 用于信號篩選和波長選擇。

由于關(guān)聯(lián)光子對具備精確的時(shí)間與光譜關(guān)聯(lián)性，研究人員通過 “符合計(jì)數(shù)” 技術(shù) —— 用時(shí)間標(biāo)記器記錄兩個(gè)光子的到達(dá)時(shí)間差，只統(tǒng)計(jì)同時(shí)抵達(dá)的光子對 —— 就能像 “篩選特定頻率的對講機(jī)信號” 一樣，從海量背景噪聲中精準(zhǔn)提取出攜帶樣本信息的信號光子，從而擺脫黑體輻射的干擾。

為檢驗(yàn) “量子+超導(dǎo)” 系統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)能力，團(tuán)隊(duì)搭建了完整實(shí)驗(yàn)裝置 —— 泵浦激光經(jīng) PPLN 晶體生成關(guān)聯(lián)光子對后，由雙色鏡分離為兩路：中紅外光子穿過樣本被中紅外 SNSPD 捕獲，近紅外光子經(jīng)單色儀篩選后由近紅外 SNSPD 探測，再通過時(shí)間標(biāo)記器記錄光子到達(dá)時(shí)間差、進(jìn)行符合計(jì)數(shù)，最終重建樣本吸收光譜。

1. 核心性能：超低光下的 “超靈敏表現(xiàn)”

通過調(diào)節(jié) PPLN 晶體溫度（20℃-100℃），系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了3350-3540納米的光譜覆蓋，在 3.4 微米波長處的分辨率達(dá) 3.7 cm^-1。最關(guān)鍵的突破在于 “超低光照射”—— 整個(gè)系統(tǒng)的照射光子通量僅 4.4×10⁶光子/秒（相當(dāng)于250飛瓦光功率），遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光譜儀，從根本上避免了光敏樣本的光損傷。

信噪比的提升更堪稱 “飛躍”：與傳統(tǒng)單通道中紅外檢測相比，低泵浦功率下，計(jì)數(shù)信噪比直接提升312倍；即便在較高泵浦功率下，也能實(shí)現(xiàn)32倍提升。這種效果好比在嘈雜菜市場里清晰聽見對面人的耳語，正是超導(dǎo)探測器的超高靈敏度與量子關(guān)聯(lián)的精準(zhǔn)降噪共同作用的結(jié)果。

2. 樣本測試：與傳統(tǒng) FTIR 高度吻合，可靠性拉滿

為驗(yàn)證實(shí)用性，團(tuán)隊(duì)對 38 微米厚的聚苯乙烯（PS）薄膜、10 微米厚的聚乙烯（PE）薄膜展開檢測。結(jié)果顯示，系統(tǒng)精準(zhǔn)捕捉到兩種聚合物中 CH?基團(tuán)的特征吸收峰：PS 在 3400-3450 納米波段，PE 在 3500-3525 納米波段，峰的位置與形狀和傳統(tǒng) FTIR 光譜（4 cm^-1分辨率）高度吻合。

圖2 光譜測量結(jié)果

這不僅證明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，更凸顯了超導(dǎo)探測器的可靠性 —— 即便在超低光環(huán)境下，它仍能穩(wěn)穩(wěn)抓住分子的微弱振動信號，為蛋白質(zhì)、DNA 等光敏生物樣本，以及各類敏感化學(xué)材料的 “無損傷精準(zhǔn)分析”，提供了實(shí)打?qū)嵉募夹g(shù)保障。

表1 現(xiàn)有中紅外光譜儀的性能對比

盡管目前系統(tǒng)已經(jīng)表現(xiàn)出色，團(tuán)隊(duì)仍規(guī)劃了四大優(yōu)化方向，進(jìn)一步釋放超導(dǎo)探測器的潛力：

1. 擴(kuò)展光譜范圍：通過調(diào)整PPLN晶體的極化周期，或采用新型非線性材料，將光譜覆蓋從當(dāng)前的190納米帶寬擴(kuò)展到2-8微米，滿足更多領(lǐng)域的檢測需求。

2. 抑制暗計(jì)數(shù)：針對中紅外SNSPD的暗計(jì)數(shù)來源（外部環(huán)境熱輻射、室溫光纖的本征熱發(fā)射），計(jì)劃采用低溫冷卻耦合組件，或全低溫自由空間光學(xué)耦合架構(gòu)，將暗計(jì)數(shù)控制在10⁴次/秒以下，使信噪比再提升兩個(gè)數(shù)量級。

3. 提升檢測效率：集成光子數(shù)分辨SNSPD，過濾掉多光子事件，減少偶然符合計(jì)數(shù)，提高符合計(jì)數(shù)率和關(guān)聯(lián)保真度，從而縮短檢測時(shí)間，讓系統(tǒng)更適合實(shí)時(shí)監(jiān)測場景。

4. 革新掃描方式：用色散傅里葉變換技術(shù)替代傳統(tǒng)的機(jī)械光柵掃描，通過波長-時(shí)間映射實(shí)現(xiàn)快速光譜獲取，大幅縮短數(shù)據(jù)采集時(shí)間。

從傳統(tǒng)中紅外光譜“低光無信號、強(qiáng)光傷樣本”的兩難困境，到量子關(guān)聯(lián)技術(shù)的破局，這項(xiàng)研究不僅彰顯了量子與超導(dǎo)探測融合的巨大潛力，更給低光、光敏樣本的光譜分析開辟了全新路徑。

傳統(tǒng)技術(shù)在靈敏度與樣本保護(hù)間的矛盾，被量子關(guān)聯(lián)的“精準(zhǔn)篩噪”與超導(dǎo)探測器的“超高靈敏”徹底化解——312倍信噪比提升、4.4×10⁶光子/秒的超低照射強(qiáng)度，再加上與傳統(tǒng)FTIR高度吻合的檢測結(jié)果，硬核數(shù)據(jù)直接印證了技術(shù)的可靠與先進(jìn)。

隨著技術(shù)持續(xù)優(yōu)化，這款量子關(guān)聯(lián)中紅外光譜平臺有望成為生物醫(yī)藥、環(huán)境科學(xué)、材料工程等領(lǐng)域的“標(biāo)配工具”，讓更多光敏樣本的無損傷檢測從理想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，推動相關(guān)學(xué)科研究邁入新階段。而作為變革“核心引擎”的超導(dǎo)探測器，也將與量子技術(shù)深度融合，不斷刷新光譜檢測的極限，未來勢必在更多領(lǐng)域釋放能量。

論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士生鄭曉晴，通訊作者為上海微系統(tǒng)所尤立星與周慧研究員。