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超高速超导单光子探测器成就简介

近日，中国科学院上海微系统所李浩、尤立星团队，利用眉山治结构超导纳米线、多线并行工作的方式实现最大计数率5GHz、光子数分辨率61的超高速、光子数可分辨光量子探测器，有关成就以“Superconducting single photon detector with speed of 5 GHz and photon number resolution of 61”为题于2024年5月31日在线颁发在中国科学院一区学术期刊《光子学钻研》（Photonics Research）上，并入选编纂推荐（Editor's Pick）
。

起源：Photonics Research

高速、光子可数分辨的单光子探测技术在深空激光通讯（月地、火地等）、高速量子密钥分发、光量子推算等领域拥有沉要利用远景
。然而，传统的单光子探测器，如雪崩光电二极管和光电倍增管，在效能、速度和功夫分辨率等方面难以满足当前利用需要；超导转变沿传感器拥有较好的光子数分辨能力和较高的探测效能，但拥有较低的探测速度和较大的功夫抖动，同时必要极低工作温度和复杂的读出造冷系统
。

近年来，超导纳米线单光子探测器（SNSPD或SSPD）因其高效能、低暗计数率和优异的功夫分辨率，在量子通讯、光学量子推算和量子力学道理验证等方面宽泛利用
。只管传统的单元SSPD拥有杰出的机能，但由于其读出电路和探测器复原功夫限度，其探测速度（计数率）通常仅有几十MHz
。此表，单元SSPD的光子数分辨能力受到超导到正常态强非线性转变的限度，利用响应波形等信息分辨光子数时丈量难度较大
。多像素SSPD阵列是一种由纳米线并行工作的新型器件架构，与单元SSPD相比，多像素器件可通过并行工作加强计数率和光子数分辨能力，为高速光子的探测和光子数分辨提供了优异的解决规划
。

(a)器件结构，(b)超导纳米线，(c)器件封装，(d)造冷系统

(a)器件探测效能随偏置电流的变动关系，(b)探测效能随探测速度的变动关系

光子数统计散布随入射光强的变动关系

在这项工作中，项目团队研造了高效能、超高速、高光子数分辨率的超导探测器集成系统
。为保障探测系统的轻便、靠得住性，该项目搭建基于GM幼型造冷机造冷集成系统，支持64路电通路，最低工作温度为2.3 K
。探测器芯片在散布式布拉格反射器上集成64条超导纳米线，两全提高光子吸收率和探测速度
。经表征，纳米线造备良率为61/64，在1550 nm波长下的系统探测效能达90%，最大计数率为5.2 GHz，探测效能降落3 dB时计数率为1.7 GHz，光子数分辨率为61
。该探测系统代表了光量子探测技术的沉大突破，其卓越的机能指标将有望支持深空激光通讯、高速度量子通讯以及基础量子光学尝试蹬爪用
。

对话超高速SSPD背后的汉子

对于这次的钻研成就，读者伴侣们也许有好多好奇和关切，光子盒有幸约请到这项钻研成就的重要参加者进行一番对话，让我们一路来相识一下吧！

李浩，中国科学院上海微系统与信息技术钻研所钻研员、博导，博士毕业于中国科学院上海微系统与信息技术钻研所
。

吕超林，4688美高梅量子（浙江）科技有限公司首席技术官，博士毕业于中国科学院上海微系统与信息技术钻研所
。

Q1：近些年，团队在SSPD领域成就频出，这些成就之间是怎么的关系？

A：我们这个课题组在从前十多年里最主题的一个工作就是单光子探测器探测效能的提升，目前我们已经把探测效能（探测器的主题肠能指标）做到了98%这样一个国际最优水平，器件已经大量利用在量子信息技术（例如“九章”光量子推算、远距离量子通讯等）
。后面还会持续地往上做，提升效能同时提高造备良率等
。

Q2：这次成就最大的亮点是什么？

A：本次工作重要在探测器速度，高速探测这块做了一个重要的进取
。在保障高探测效能的同时，大大提升了另表一个机能指标——探测速度
。在一些特定的利用场景，如横跨几千万公里的深空光通讯，必要同时实现高效和高速探测
。十年前，NASA率先实现月地激光通讯LLCD尝试，地面接管机通过利用多像素的高速SSPD实现高达622 Mbps的下行速度
。我国目前在该利用领域钻研起步较晚
。这次成就，我们针对高速探测利用需要进行了芯片、电路和造冷机的高度集成，将探测系统提升到64通路，实现了最大5 GHz的超高速探测
。我们未来能够做到百通路，并且能够直接切换到多通路单元器件的集成系统，支持钻研工作对多路探测器的利用需要
。

Q3：您反复提到“通路”，请您进一步介绍通路数变多，对系统整体的机能以及它作为支持其他工程项目来说意味着什么？

A：一方面，通路越多，SSPD速度就能够做到更高，由于速度和通路数根基上呈线性关系
。另一方面，SSPD系统的成本之一是造冷成本，在统一个造冷机里集成更多通路的SSPD器件，能够有效降低SSPD系统的成本
。

Q4：SSPD的优势您都介绍到了，那系统是否存在一些劣势？

A：除SSPD表，还有好多其他光子探测器（好比光电倍增管、雪崩光电二极管、基于量子点的单光子探测器、可见光子计数器、基于频率转换技术的单光子探测器）
。首先，相对其他探测器，超导探测器机能拥有绝对优势，不及的处所，一是必要造冷机、系统复杂度相对更高
。二是，利用市场有限，目前重要利用于量子信息技术、幽微光的检测
。

Q5：与国际同业相比，咱们团队或许是怎么的情况？

A：我们目前在器件的探测效能、探测速度、暗计数率等技术指标方面能够做到国际当先水平
。在探测系统集成度和易用性方面，各人各有曲直
。在利用方面，也各有千秋，好比量子信息，我国相对比力当先，而深空激光通讯，我们仍必要追赶
。

Q6：下一步钻研打算是什么?

A：随着探测器机能尤其是单光子探测效能靠近100%探测极限，我们将进入到新的钻研阶段——光子数分辨探测
。传统探测器无法有效分辨光脉冲中的光子数量，而我们本次钻研了局不仅能探测，还将光子分辨数量提升至61，这是一个很高的水平
；褂幸桓龀烈较蚓褪通过更少的通路，好比单个通路便能够实现20甚至30个以上的光子数分辨
。目前我们也已经获得一些沉要突破，但愿近期就能够推向利用
。

Q7：从尝试室到科技成就转化，4688美高梅的产品推出或许是怎么的一个节拍或模式？

A：通常必要花一年左右功夫，通常是我们从市场上网络多方需要，而后针对性地提出多种规划进行同时尝试，最后凭据测试了局将规划定型和产品化
。

Q8：4688美高梅量子接下来会有哪些能够让我们等待的成就吗？

A：我们将实现高保真度光子数分辨器件的产业化，单通路器件最高可支持20甚至30个以上的光子数分辨，来满足光量子推算、量子随机行走、量子根基道理验证蹬爪用领域的需要
。

知识补充：美国深空光通讯项目简介

微器件尝试室（Microdevices Laboratory, MDL）是喷气推动尝试室（JPL）的一部门，专一于微型和纳米器件的钻研和开发
。MDL致力于支持JPL和NASA的科学工作，通过开发关键的微器件技术，使得各类仪器和工作成为可能
。

SNSPD是从紫表到中红表领域内综合机能最优的单光子探测器，因而成为美国国度航空航天局（NASA）和喷气推动尝试室（JPL）深空光通讯（Deep Space Optical Communications，DSOC）项主张沉要支持研发项目
。自2005年以来，MDL在这一怪异技术的开发方面一向处于世界当先职位，并且在探测效能、功夫分辨率、有效面积和暗计数方面维持着世界纪录
。

2013年，NASA成功实现38万公里的月地激光通讯演示尝试（Lunar Laser Communications Demonstration，LLCD），多像素SNSPD被部署在地面终端，实现622 Mbps的下行传输速度
。随后，起头部署DSOC项目，将在多种距离演出示激光通讯链路的可行性，最远可达2.7天文单元（AU），将激光通讯的演示距离从LLCD的水平扩大1000倍
。为了接管从幼行星传来的幽微信号，MDL开发了一种怪异的64像素SNSPD阵传记感器，可能以百皮秒的正确度象征单个光子的达到功夫，探测速度超过每秒十亿次
。2023年12月，DSOC项主张“灵神号”探测器将一段时长15秒的超高清视频从距地球约3100万公里的深空发送回地球，这一距离是地球与月亮之间距离的约莫80倍
。视频传至地面用时101秒，最大传输速度为每秒267Mbps
。

美国航天局但愿，借助激光通讯，从深空传输数据的速度能比目前使用的最先进无线电通讯技术快10至100倍，以便满足未来人类登上火星后传输复杂信息以及高清图像和视频的必要
。

参考链接

[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