以下文章來(lái)源于光子盒公眾號(hào)，作者光子盒研究院

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超高速超導(dǎo)單光子探測(cè)器成果簡(jiǎn)介

近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所李浩、尤立星團(tuán)隊(duì)，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(shí)現(xiàn)最大計(jì)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(cè)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(guó)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(lái)源：Photonics Research

高速、光子可數(shù)分辨的單光子探測(cè)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(jì)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(cè)器，如雪崩光電二極管和光電倍增管，在效率、速度和時(shí)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(cè)效率，但具有較低的探測(cè)速度和較大的時(shí)間抖動(dòng)，同時(shí)需要極低工作溫度和復(fù)雜的讀出制冷系統(tǒng)。

近年來(lái)，超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD或SSPD）因其高效率、低暗計(jì)數(shù)率和優(yōu)異的時(shí)間分辨率，在量子通信、光學(xué)量子計(jì)算和量子力學(xué)原理驗(yàn)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(cè)器恢復(fù)時(shí)間限制，其探測(cè)速率（計(jì)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(qiáng)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(shí)測(cè)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(qiáng)計(jì)數(shù)率和光子數(shù)分辨能力，為高速光子的探測(cè)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(cè)效率隨偏置電流的變化關(guān)系，(b)探測(cè)效率隨探測(cè)速率的變化關(guān)系

光子數(shù)統(tǒng)計(jì)分布隨入射光強(qiáng)的變化關(guān)系

在這項(xiàng)工作中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研制了高效率、超高速、高光子數(shù)分辨率的超導(dǎo)探測(cè)器集成系統(tǒng)。為保證探測(cè)系統(tǒng)的輕便、可靠性，該項(xiàng)目搭建基于GM小型制冷機(jī)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(cè)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(cè)速度。經(jīng)表征，納米線制備良率為61/64，在1550 nm波長(zhǎng)下的系統(tǒng)探測(cè)效率達(dá)90%，最大計(jì)數(shù)率為5.2 GHz，探測(cè)效率下降3 dB時(shí)計(jì)數(shù)率為1.7 GHz，光子數(shù)分辨率為61。該探測(cè)系統(tǒng)代表了光量子探測(cè)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(shí)驗(yàn)等應(yīng)用。

對(duì)話超高速SSPD背后的男人

對(duì)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(qǐng)到這項(xiàng)研究成果的主要參與者進(jìn)行一番對(duì)話，讓我們一起來(lái)了解一下吧！

李浩，中國(guó)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(guó)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(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所。

Q1：近些年，團(tuán)隊(duì)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(gè)課題組在過去十多年里最核心的一個(gè)工作就是單光子探測(cè)器探測(cè)效率的提升，目前我們已經(jīng)把探測(cè)效率（探測(cè)器的核心性能指標(biāo)）做到了98%這樣一個(gè)國(guó)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(jì)算、遠(yuǎn)距離量子通信等）。后面還會(huì)持續(xù)地往上做，提升效率同時(shí)提高制備良率等。

Q2：這次成果最大的亮點(diǎn)是什么？

A：本次工作主要在探測(cè)器速度，高速探測(cè)這塊做了一個(gè)主要的進(jìn)步。在保證高探測(cè)效率的同時(shí)，大大提升了另外一個(gè)性能指標(biāo)——探測(cè)速率。在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景，如橫跨幾千萬(wàn)公里的深空光通信，需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效和高速探測(cè)。十年前，NASA率先實(shí)現(xiàn)月地激光通信LLCD實(shí)驗(yàn)，地面接收機(jī)通過利用多像素的高速SSPD實(shí)現(xiàn)高達(dá)622 Mbps的下行速率。我國(guó)目前在該應(yīng)用領(lǐng)域研究起步較晚。這次成果，我們針對(duì)高速探測(cè)應(yīng)用需求進(jìn)行了芯片、電路和制冷機(jī)的高度集成，將探測(cè)系統(tǒng)提升到64通道，實(shí)現(xiàn)了最大5 GHz的超高速探測(cè)。我們未來(lái)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(duì)多路探測(cè)器的應(yīng)用需求。

Q3：您反復(fù)提到“通道”，請(qǐng)您進(jìn)一步介紹通道數(shù)變多，對(duì)系統(tǒng)整體的性能以及它作為支撐其他工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)意味著什么？

A：一方面，通道越多，SSPD速率就可以做到更高，因?yàn)樗俾屎屯ǖ罃?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(gè)制冷機(jī)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(shì)您都介紹到了，那系統(tǒng)是否存在一些劣勢(shì)？

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

Q5：與國(guó)際同行相比，咱們團(tuán)隊(duì)大概是怎樣的情況？

A：我們目前在器件的探測(cè)效率、探測(cè)速率、暗計(jì)數(shù)率等技術(shù)指標(biāo)方面可以做到國(guó)際領(lǐng)先水平。在探測(cè)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(guó)相對(duì)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(jì)劃是什么?

A：隨著探測(cè)器性能尤其是單光子探測(cè)效率接近100%探測(cè)極限，我們將進(jìn)入到新的研究階段——光子數(shù)分辨探測(cè)。傳統(tǒng)探測(cè)器無(wú)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(cè)，還將光子分辨數(shù)目提升至61，這是一個(gè)很高的水平。還有一個(gè)重要方向就是通過更少的通道，比如單個(gè)通道便可以實(shí)現(xiàn)20甚至30個(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)節(jié)奏或模式？

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

Q8：賦同量子接下來(lái)會(huì)有哪些可以讓我們期待的成果嗎？

A：我們將實(shí)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(gè)以上的光子數(shù)分辨，來(lái)滿足光量子計(jì)算、量子隨機(jī)行走、量子基本原理驗(yàn)證等應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

知識(shí)補(bǔ)充：美國(guó)深空光通信項(xiàng)目簡(jiǎn)介

微器件實(shí)驗(yàn)室（Microdevices Laboratory, MDL）是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(cè)器，因此成為美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）深空光通信（Deep Space Optical Communications，DSOC）項(xiàng)目的重要支撐研發(fā)項(xiàng)目。自2005年以來(lái)，MDL在這一獨(dú)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(cè)效率、時(shí)間分辨率、有效面積和暗計(jì)數(shù)方面保持著世界紀(jì)錄。

2013年，NASA成功實(shí)現(xiàn)38萬(wàn)公里的月地激光通信演示實(shí)驗(yàn)（Lunar Laser Communications Demonstration，LLCD），多像素SNSPD被部署在地面終端，實(shí)現(xiàn)622 Mbps的下行傳輸速率。隨后，開始部署DSOC項(xiàng)目，將在多種距離上演示激光通信鏈路的可行性，最遠(yuǎn)可達(dá)2.7天文單位（AU），將激光通信的演示距離從LLCD的水平擴(kuò)展1000倍。為了接收從小行星傳來(lái)的微弱信號(hào)，MDL開發(fā)了一種獨(dú)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(gè)光子的到達(dá)時(shí)間，探測(cè)速率超過每秒十億次。2023年12月，DSOC項(xiàng)目的“靈神號(hào)”探測(cè)器將一段時(shí)長(zhǎng)15秒的超高清視頻從距地球約3100萬(wàn)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(shí)101秒，最大傳輸速率為每秒267Mbps。

美國(guó)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(jìn)無(wú)線電通信技術(shù)快10至100倍，以便滿足未來(lái)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