在我们日常生涯中，我们所看到的光是由无数微幼粒子——光子组成的，而单个光子的能量是如此微幼，以至于我们肉眼不易觉察

。然而，光子作为信息的沉要载体，表演着不成或缺的角色

。超导纳米线单光子探测器(SNSPD)如统一双可能看到单光子的“慧眼”，使科学家不仅可能精确地知路每个光子达到的功夫，还可能正确地数出光子的数量

。在索求光量子的神秘世界上，SNSPD是科学家们的沉要副手，援手他们进行多种有趣的钻研并实现新的科学发现

。本文将深刻浅出地探求SNSPD探测器的道理和机能、造作封装技术以及发展趋向，最后介绍SNSPD在光量子科学技术、深空通讯、生物医学等领域的利用

。

光子纠缠和超导性是物理学中两个最沉要的量子景象

。光子是光的量子，是电磁辐射的根基单元

。光子的概想最早由德国物理学家普朗克在1900 年提出，作为诠释黑体辐射的量子如果

。普朗克发现，为了诠释黑体辐射的个性，电磁辐射的能量必须以离散的量子大局传布，即光子

。1905 年，爱因斯坦进一步发展了光子的概想，并用它来诠释光电效应，从而证实了光子的现实存在

。这一发现为量子力学的诞生打下了坚实的基础，并对现代物理学的发展产生了深远的影响

。单光子的能量极度幽微，好比一个波长为1550纳米的近红表波段光子，它的能量约为1.3×10^-19焦耳(焦耳是一个很幼的能量单元，好比一粒芝麻的热量约为87焦耳)

。

人类的眼睛极为敏感，但是否可能观察到单个光子呢？答案是注定的

。在1942 年，科学家进行了一项拥有里程碑意思的尝试，探索人眼的视觉极限

。钻研批注，当人类眼睛充分适应阴郁环境后，它们可能分辨出极幽微的光信号，其数量可低至5~9个光子

。近年的钻研进一步证明，人类的视网膜细胞可能对单个光子做出反映，但为了在大脑中形成有效的视觉信号，至少必要约6 个单个光子，以触发神经网络的正确判断

。只管人眼是高活络度的光子探测器，但其探测效能幼于10%，并且反映速度较慢(约莫在100 毫秒级别)，因而难以用于处置高速、复杂的工作

。为此，科学家们研发了单光子探测器，最早的是使用半导体资料研造的光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)等，它们都是基于光电效应的道理进行工作的

。

单光子探测器是衔接经典世界和量子世界的桥梁

。随着钻研的深刻，人们发现两个或多个光子之间能产生量子纠缠，它们的状态存在着强烈的关联，不能独立描述；并且量子纠缠还拥有“鬼怪般”的超距离相互作用(图1)

。量子纠缠是量子力学的一个重要特点，这在经典力学中不存在，通过对这一量子力学根基问题的钻研，科学家们拉开量子信息技术的序幕

。2022 年，诺贝尔物理学奖授予法国的阿斯佩、美国的克劳泽和奥地利的塞林格，以赞美他们在光子纠缠尝试、验证贝尔不等式的违反和量子信息科学方面的开创性贡献

。量子信息科学就像是科技界的“新星”，带来了一场技术和理论的革命，不仅开启了量子保密通讯和量子推算的新篇章，还为传赣注模仿和基础物理等多个领域打开了全新的大门

。随着量子信息技术的飞速进取，传统的半导体单光子探测器在高效能、低噪声地探测单光子方面遇到了挑战，超导单光子探测器则应运而生

。

图1 两个量子物质之间的纠缠

超导单光子探测器的故事起头于奇怪、非？岬某剂煊

。超导，顾名思义，即“超等导体”

。1911 年，荷兰物理学家？·昂尼斯在钻研资料电阻在低温下变动时，发现金属汞在冷却到极度低的温度时(称为临界温度)，电阻会忽然隐没，实现无电阻的导电景象(图2(a))

。这一景象被称为超导转变，零电阻的个性被称为超导性

。由于超导性的发现，昂尼斯很快获得了1913 年的诺贝尔物理学奖

。1933 年，德国的迈斯纳等发现当超导体被冷却到其临界温度以下时，它会齐全倾轧磁场，这种景象被称为迈斯纳效应(图2(b))，这是判断超导体的另一个关键特点

。超导悬浮列车就是基于迈斯纳效应的道理实现的

。随后，科学家们陆续发现了很多种超导资料，并且不休地提高了超导临界温度，但对于超导产生的底子机造，一向无法给出诠释

。直到1957 年，美国的巴丁、库珀和施里弗等提出了基于电子配对、凝聚的BCS 理论，诠氏缢电子若何由于晶格振动而形成库珀对，以及这些库珀对若何在低温下经历量子力学凝聚，从而形成超导状态

。BCS 理论成功诠氏缢超导景象的微观机造，为后续钻研和超导资料的开发提供了沉要的理论基础

。

图2 超导个性示意图(a)分歧资料的电阻随温度的变动曲线，其中超导体味产生超导转变，并出现出零电阻景象；(b)超导齐全抗磁性；磁力线被齐全排出

超导单光子探测器，由于工作在低温下，温度涨落带来的热噪声会被强烈地抑造，天然地拥有极低的探测噪声

。因而，在需要高信噪比探测的领域，超导探测器始终占有沉要职位

。超导单光子探测器的种类也有不少，例如超导转变边缘传感器(TES，1940 年发现效应，1995 年实现利用)、超导隧路结探测器(STJ，1962 年发现，20 世纪90 年代实现利用)以及近年来备受关注的SNSPD(2001年发现，2005年实现利用)

。然而，由于机能、工作前提和成本等方面的限度，TES、STJ尚未可能实现大规模利用

。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD 或SSPD)是一种高机能、高活络度的光子探测器

。最初是由莫斯科国立师范大学戈尔兹曼蹬宗2001 年发现的

。通常，SNSPD 使用NbN(氮化铌)、WSi(硅化钨)等超导资料的超薄薄膜(厚度仅为3~10 纳米，其中1 纳米为10^-9米，相当于头发丝直径的六万分之一)，经微纳米加工技术造备成宽度约为100 纳米的线条，以提高探测器的活络度和探测响应速度；并选取蜿蜒崎岖线的大局组成探测器的光敏面，以更高效地”捉拿”入射的光子(图3)

。当纳米线被冷却到低于其临界温度时，它们将进入超导状态

。

图3 SNSPD的芯片和纳米线结构的实物照片(a)两英寸晶圆；(b)单个芯片，边长约为3 毫米；(c)崎岖纳米线的部门放大照片；(d)光敏面的SEM照片

SNSPD就像是一个能够看到光量子的“眼睛”，它的性质是一种将幽微的光子信号转化为可丈量的电信号的装置

。它的探测道理是利用超导纳米线偏置在临界电流左近时，对单个光子的吸收，极度敏感且响应急剧

。即，当一个光子被纳米线条某个地位吸收时，它的能量会粉碎数百个库珀对(百飞秒功夫尺度下的电子-电子散射过程)，产生一个局域的电阻态( “热点”)；在电流的辅助加热作用下，热点会持续长大，最终形成横跨纳米线条截面的齐全电阻区域；使得偏置在纳米线的电流会被排出到读出电路上，产生一个可丈量的电脉冲信号，批注探测到了一个光子；随后，纳米线条上的热点会通过基底散热，沉新复原到超导状态，期待下一个光子的到来(图4)

。

 图4 SNSPD探测道理示意图：“热点”模型，其中蓝色箭头(水平方向)标示超导电流方向

SNSPD 的探测机理使得它拥有高内量子效能(吸收光子后触发光响应脉冲的概率)、高探测速度、低噪声的天然个性

。通常，SNSPD对可见光-近红表光子的内量子效能能够达到100%；整个光子探测过程的功夫最快可达到约1纳秒

。

为实现更高探测活络度和更低探测噪声，SNSPD通常工作温度为其临界温度的一半以下，好比4.2K以下，通常温度越低，机能越好

。其中“K”为温度的国际单元“Kelvin”(开尔文)的缩写；4.2K为液氦液化温度，对应于零下268.8 摄氏度，即只比绝对零度高4.2 度

。低温造冷技术的发展，使用商用的紧凑型造冷机，能像冰箱一样单一不变运行，援手科学家们轻松地达到通例SNSPD的工作温度领域(2~4.2K)

。

自2001 年发现以来，世界列国的科学家们在提高SNSPD 的探测效能、削减暗计数(探测噪声)、提升探测速度、器件与其他量子技术集成等方面获得了飞速的进展，不休刷新着SNSPD 的极限探测机能

。凭借杰出的综合机能——高探测效能、低暗计数、高探测速度、低功夫抖动等，使得SNSPD 在多多类型的单光子探测器中脱颖而出

。

“兵马未动粮草先行”，资料是对探测器来说就是“粮草”，是器件机能的根基

。NbN薄膜——最早也是最常用的SNSPD造备资料(图5)

。NbN资料拥有很好的化学不变性，露出在空气中，它表表会氧化出1~2 纳米的氧化；げ，而不变的资料机能也是SNSPD 得以实用化的沉要保障

。有意思的是，NbN 薄膜在很薄的情况下(厚度超过3 纳米)，就能展示出超导性，并拥有较高的超导转变温度

。NbN薄膜是一种多晶资料，拥有较高的电阻率，较宽的光谱吸收领域

。几个纳米线厚的NbN薄膜沉积在通明基底上，用肉眼看去，表表是灰色的，说了然它吸收了部门的可见光

。此表，NbN薄膜还有好多有趣的个性，好比，高度无序的NbN薄膜会出现出绝缘状态，甚至会造成超等绝缘体

。

图5 SNSPD纳米线的截面放大照片，其中NbN厚度约10 nm(深色区域)

从NbN、NbTiN( 氮化钛铌)、WSi、MoSi( 硅化钼)、MoGe(钼锗合金)、二硼化镁(MgB₂) ，再到高温超导资料，钻研人员不休索求着最适合SNSPD 的资料

。从利用的角度来看，最梦想的SNSPD 资料应该拥有高内量子效能(高光子探测活络度)、高工作温度、高工作电流等，这样有助于实现高探测效能、降低造冷机成本、实现高电脉冲信号的信噪比(以获取更幼的功夫抖动)等

。

然而，随着钻研的深刻，科学家们发现有时梦想与现实之间存在肯定的差距，就像钻营“鱼与熊掌不成兼得”一样

。若何以最幼的(可接受的)价值来实现指标的机能，科学家们必要不休地选择、衡量和深刻钻研

。

好比，钻研者发现超导薄膜的无序化(好比晶格缺点)，甚至非晶化，可能显著地提升SNSPD 的高内量子效能，但是会带来一些负面的成效，好比降低薄膜超导临界温度和器件工作电流

。2011 年，美国NIST 钻研者使用非晶的WSi 资料，实现SNSPD在近红表光波段光子的高活络度探测，探测器的内量子效能靠近于100%，不外探测器必要工作在0.2K的极低温下

。2019 年，中国科学院上海微系统与信息技术钻研所(以下简称“上海微系统所”)的科学家，发现使用氦离子辐照技术处置NbN薄膜，人为引入密度可控的空位缺点，能显著地提升NbN薄膜在更高工作温度(~2.5K)的光子探测活络度

。

2023 年，美国JPL 的钻研者通过调节WSi资料的化学计量配比，实现了迄今探测波长最长的中红表波段SNSPD，将探测领域扩大至29 微米，工作温度<0.5K

。2023 年，美国MIT 的钻研者使用机械剥离的高温超导BSCO 薄层，经过氦离子辐照处置后，实现了工作温度在20K的、拥有红表单个探测能力的SNSPD，展示了向更高工作温度迈进的可能性

。

系统探测效能

系统探测效能，指探测到进入探测器系统的单光子的概率，它通常为内量子效能、光吸收率和光耦合效能三者的乘积，是SNSPD 的最主题指标

。要实现高的系统探测效能，必要三者同时达到最优

。而其中，“吸收是关键”

。通常的，5 纳米厚的NbN 薄膜，在近红表波段，对光的吸收率为10%~30%，如与光学反射腔集成则能显著加强光吸收效能(图6)

。理论推算批注，通过光学反射腔结构设计，能将SNSPD的吸收率提升至靠近100%

。

图6  SNSPD光学结构的截面示意图，其中多层介质组成光学反射腔

。光学反射腔，是一种光学多层介质结构，光子入射后腔后，会在腔内来回反射；若是腔内存在吸收资料，光子在反射过程中会逐步地被吸收掉

 2013 年，美国NIST 的钻研者成功地利用非晶态WSi资料和光学双层腔结构设计，初次实现了系统探测效能达到93%的SNSPD，工作温度约为0.12K

。这样的探测效能意味着，进入探测系统中有100 个光子的情况下，SNSPD 能够探测到93 个，仅迷失了7 个光子

。对于单光子探测器来说，这是一个极度杰出的机能

。然而，这一高效能的实现并非没有价值

。钻研者使用的WSi 资料的超导转变温度和工作电流都显著地低于NbN资料，这要求他们的SNSPD必须在昂贵的、极低温系统中运行，这在肯定水平上限度了该类探测器的利用领域

。

到了2017 年，上海微系统所的科学家选取细而厚的NbN 纳米线条设计，结合介质镜面腔结构(一种DBR光学腔)，成功实现了更高工作温度(>2K)、更大工作电流的SNSPD，其系统探测效能也超过了92%，为实用化SNSPD指了然方向

。好比，目前市场上销售的商用SNSPD大多是由NbN系资料造备的

。2020 年，美国、中国和荷兰的科学家别离独立地实现了系统探测效能超过98%的新突破，这已经极度靠近梦想水平

。

暗计数率

SNSPD的探测噪声使用暗计数率来描述，它是指在不存在信号光子时，由热噪声或其他源引起的谬误探测计数率，削减暗计数率对于提高SNSPD探测信噪比至关沉要

。通常SNSPD暗计数率幼于100个每秒，重要由布景辐射导致的暗计数贡献

。

探测速度

SNSPD 的探测速度，使用最大计数率来描述

。在高速光通讯和光量子推算等领域，探测速杜装响着信息传输和处置的最大速度

。借助并行纳米线阵列的方式，SNSPD 最大计数率可超过1Gcps(即10⁹个每秒)

。

功夫抖动

SNSPD的功夫抖动，是指探测器对周期光信号产生的电脉冲信号的功夫地位颠簸，通常是相对于参考时钟信号而言

。较低的功夫抖动值，批注探测器的功夫分辨率高，这在量子保密通讯、功夫分辨光谱学蹬爪用至关沉要

。目前，SNSPD最幼功夫抖动已经降低到了3皮秒(10^-12秒)级别

。

新进展和趋向

科学家们在积极索求更多通路和集成读出的SNSPD新技术，旨在在单一设备中实现多个探测单元，从而加强系统的矫捷性和职能性

。此表，由于SNSPD 探测器的尺寸极度幼，并且可能与多种基底优良地兼容，当前的钻研沉要趋向之一，是将SNSPD 与波导进行集成(图7(a))，再进一步与其他量子技术集成(如量子光源和量子存储器等)，创建所谓的“集成光量子芯片”

。这种集成步骤为量子推算和通讯利用提供了更为紧凑、职能壮大且机能卓越的解决规划，推动着光量子技术向实用化发展

。

 图7 SNSPD新趋向：波导集成；大光敏面的微米带探测器；40 万像素单光子相机

与此同时，科学家们对SNSPD 的探测机理的理解也在不休地加深

。2018 年，俄罗斯科学家成功地从理论和尝试两方面证实了线宽至微米级的超导条带仍具备探测单个光子的能力

。这一新型探测器被定名为“ 超导微米带单光子探测器”(SMSPD)(图7(b))

。与传统的SNSPD相比，SMSPD的探测机造有所差距

。在宽条带中，当施加的偏置电流靠近于超导拆对电流时，幽微的光子能量就能触发宽条带中形成热点，触发光子响应

。微米级的线宽使得选取光学曝光工艺造备SMSPD 成为现实

。相较于电子束曝光，光学曝光在大面积造作时拥有更高的造备效能和出产速度，可能显著提高器件的造作产量，同时也有助于降低芯片成本

。

此表，SMSPD 技术为造作超大光敏面积的探测器打开了新的蹊径

。目前，最大单个SMSPD 光敏面积已超过1 mm×1 mm

。2023 年，美国NIST、JPL 等团队成功开发出首个占有40 万像素的超导单光子相机，相较于之前最大的1024 像素SNSPD阵列，其像素数量提升了约400 倍(图7(c))

。更值得一提的是，该相机仅需8 根低温同轴线来作为电流偏置和信号读取

。这一沉要突破为天文观测、生物成像等多种利用领域带来了全新的发展机缘

。

SNSPD造作是一个复杂而又精密的过程(图8)，必要使用高精度的纳米加工工艺，以确保纳米线条的几何尺寸(厚度、宽度)的高度一致性

。这一过程通常从超导薄膜资料的沉积起头，好比，使用磁控溅射系统在适当的基底上沉积超导NbN薄膜

。在实现薄膜沉积后，必要使用“光刻”和“刻蚀”工艺来实现SNSPD 的图形化(好比造作电极、纳米线等职能单元)

。

图8 (a)SNSPD的造作到利用的简化流程图；(b) “光刻”道理示意图

“光刻”是一种造作微芯片的技术，它允许我们把微幼的图案转移到硅片或其他资料上，这些图案最终组成了微电子设备中的电路和职能单元

。这个过程通常使用一种叫做光刻胶的特殊化学物质

。首先，一块平展的硅片(或晶圆)被涂上一层光刻胶

。而后，使用一种称为掩模的模板，通过光照把拥有特定图案的光投影到光刻胶上

。这个图案由微影模式形成，能够设计成各类状态，例如电路中的导线和电极等

。一旦光照实现，光刻胶就会凭据光照的模式产生化学变动，使得胶层中的一部门变得容易溶化

。接下来，通过一个叫做显影的步骤，溶化了的部门被断根掉，留下了所需的图案

。这之后，硅片经过一系列的化学和物理处置，通常选取“刻蚀”工艺，将图案转移到硅片表表或内部，最终形成微电子器件的结构

。

凭据使用光源波长分歧，光刻有紫表曝光(UV)、极紫表曝光(EUV)等

。与光刻稍有分歧，电子束曝光(EBL)是使用高能电子扫描的方式来实现电子抗蚀胶的图形化，因而它的曝光耗时通常较长，重要用在科学钻研中，曝光精度可达10纳米以下

。

在SNSPD芯片造作过程中，使用紫表曝光工艺形成电极图案、使用反映离子刻蚀将光刻胶的图案转移到NbN薄膜上，形成大块电极区；使用电子束曝光、反映离子刻蚀来造备纳米线的图案

。最终形成器件的微纳米结构

。通常将器件的曝光图形沉复曝光在大片的晶圆上，以提高造作效能和芯片良率

。

在芯片微纳米加工实现后，接下来就是将大片晶圆中的芯片单元精确切割成独立的芯片，而后使用超声引线仪将芯片电极与封装盒上的电路精确衔接

。

随后的光纤封装和光耦合对准是一个有趣而沉要的环节，它确保光纤入射的光斑与器件的光敏面美满对准，这一过程称为“光耦合”(图9)

。光耦合效能，是指入射光子被探测器光敏面接管的概率

。高的光耦合效能，是实现高系统探测效能的关键成分

。它的挑战重要在于耦合精度以及确保在低温工作环境下依然拥有不变靠得住的耦合成效

。好比，直径约10 微米的大幼的光斑要精确地与15 微米左右的光敏面对准，而对准的误差要幼于3 微米以下

。通常情况下，这个过程在室温环境下进行，借助光学显微镜观察，使用精准移动的对准位移平台来实现

。当然，为了更方便地对准，美国NIST 的钻研者发了然奇妙的自对准技术，通过将芯片加工成特殊的“棒棒糖”状态，这样芯片就能够嵌入尺度化的光纤陶瓷套管中，实现自对准；对准精度也能达到幼于5微米以下

。

图9 SNSPD光耦合封装示意图及实物、低温恒温器2K冷台及探测器系统

最后，将器件装置在低温恒温器的冷台上，通过造冷机降温，经过约莫10 个幼时的降温过程，系统能够降至低温下，使得SNSPD 进入超导状态

。接下来，科学家们既能够对SNSPD进行深刻钻研；也能够将高机能SNSPD利用到各类前沿尝试钻研中

。这所有的致力都是为了揭示天然界的奥秘，推动科学技术的发展

。

光量子信息科学与技术(蕴含量子保密通讯、量子模仿/推算)是SNSPD 最主题的利用场景，由于这些利用通常必要高探测效能、低噪声、高速等机能的探测器，以实现更高效的量子信息处置

。其次是，深空通讯、天文探测、生物医学、暗物质探测、安全检测等方面的利用

。接下来，将重要介绍几个代表性的利用

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量子保密通讯

量子保密通讯，是一种利用量子叠加态和纠缠效应进行信息加密的安全通讯和谈

。与传统的、依赖于数学加密的方式分歧，量子保密通讯基于量子力学中的不确定性、丈量塌缩和不成克隆三大道理，提供了无法被窃听和推算破解的绝对安全性保障

。量子密钥分发(QKD)是目前最靠近实用化的方式

。密钥，顾名思义，就是一把能解锁信息的钥匙，只有持有正确密钥的人能力解密和阅读数据

。

在量子保密通讯中，安全性和靠得住性是关键思考成分

。SNSPD因其高活络度和低噪声个性，被宽泛利用于QKD 的科学钻研中

。2005 年，由美国NIST 和BBN 公司初次将SNSPD 利用于DARPA量子保密网络的演示，这也是SNSPD 首个原型机的利用演示

。其次，远距离的量子密钥分发是量子保密通讯领域的沉要挑战之一，必要克服光纤传输中的巨大损耗和噪声问题

。2023 年，上海微系统所的科学家发了然基于低温贴片滤波器技术、高效能、极低暗计数的SNSPD，并将这种新型SNSPD利用于与中科大合作尝试中，成功地实现了超过1000千米的无中继光纤QKD演示，创造了光纤传输距离的世界纪录

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量子推算 / 模仿

量子推算机是一种使用量子逻辑进行通用推算的设备

。与经典推算机分歧，它使用量子比特来存储数据，使用量子算法来进走运算，主张是用来解决经典推算机难以求解的复杂问题

。通用型量子推算机，能够处置任何推算工作，迄今还面对着很多挑战，还处在研发阶段

。此表，有一部门科学家另辟蹊径，研发技术难度相对较低的、为解决某些复杂问题而设计的专用量子推算机——量子模仿器或量子加快器

。好比，美国D-Wave 公司的超导量子退火推算机是解决某些组合优化问题的专用机械

。

在量子推算机的研发蹊径上，可存储和把持的量子比特类型有多种，好比超导量子比特(基于超导约瑟夫森结)、离子阱量子比特(带电离子)，超冷原子自旋比特(不带电原子)，以及光量子

。高效能的SNSPD 能显著地提升光量子推算的速度、正确率，有助于实现更大规模的光量子比特推算系统

。好比，2020 年，在“九章”光量子推算机中，求解了最高达76 光子的高斯玻色采样问题，上海微系统所研造的SNSPD 及系统阐扬了关键的作用(100 个SNSPD，均匀效能>80%)，助力中国实现首个光量子推算优越性的演示(图10)

。

 图10 “九章”光量子推算机示意图、现场利用的SNSPD系统(部门)

深空通讯

随着人类对太空探测伎俩的不休进取，飞行器携带的科学仪器所产生的数据量越来越重大，火急必要提升跨深空的高速数据传输能力

。举例来说，即便以每秒5.2 兆比特的最大数据速度，火星勘测轨路飞行器也必要1.5 幼时将单个高分辨率图像发送回地球进行处置

。

为了满足更高速、更靠得住的太空通讯需要，美国NASA 在开发和测试最先进的深空激光通讯技术

。在不增长飞行器的质量、体积或功率情况下，这项技术的下行链路通讯机能比传统的射频技术能提高10 至100 倍

。2013 年，NASA成功实现了月球到地球的激光通讯演示，其中，SNSPD作为高速、高效能、低噪声的接管机被用于接管从月球卫星发射的激光信号，实现了622Mb/s 的高速数据接管

。2024 年4 月，NASA 的JPL 尝试室使用SNSPD 作为接管器，成功与距离2.2 亿千米的Psyche 飞船进行通讯，这是迄今为止距离最远的深空通讯测试

。Psyche 探测器预计于2029 年到达火星和木星之间的Psyche 幼行星，并对其进行索求(图11)

。

图11  Psyche飞行器和指标幼行星

生物医学利用

在生物医疗领域，光学诊断拥有无创伤、生物活性、急剧成像、高分辨率蹬着点

。而与人们日常生涯最缜密的SNSPD利用，将会呈此刻光学医疗诊断领域

。好比，2021 年，在一项新钻研中，来自美国马萨诸塞州综合医院的钻研人员开发了一种基于SNSPD扩散有关光谱(DCS)设备，拥有高信噪比和高活络度，用于脑部血流的无创伤、更精确地丈量(图12)

。其次，在生物医学的荧鲜明微成像中，结合高信噪比、低功夫抖动的SNSPD探测器，可能更高效地探测荧光象征物发射出来的红表光子，实现对深层组织中的免疫反映的跟踪和成像，这为脑科学、肿瘤表征和精准切除等钻研或利用提供了壮大工具

。

图12 基于SNSPD的扩散有关光谱装置示意图，用于无危险地检测大脑血流情况

。信号采集时，使用两个对称光学探头同使卣射受试者前额上的分歧地位

。左下插图展示了其中一个光学探头

SNSPD作为量子信息、光子学和超导电子学的明星组件，在全球领域内都受到了宽泛关注和钻研

。目前全世界有几十家钻研团队和公司致力于SNSPD技术的钻研

。其中，国表的重要钻研机构蕴含，美国的NIST、MIT、JPL 等，俄罗斯的莫斯科国立师范大学、荷兰的TU Delft、瑞典的KTH大学、瑞士的苏黎世大学、意大利的CNR-SPIN钻研所、日本的NICT 钻研所等

。我国的钻研机构，如上海微系统所、漯河大学、天津大学等，都在SNSPD 技术上获得了积极进展，并在SNSPD某些利用领域，好比光量子信息技术等，走在了世界前列

。

随着SNSPD 技术的日渐成熟，SNSPD 商用化和产业化也发展迅速，全球陆续出现了至少6 家SNSPD 为主题产品的高科技公司，蕴含俄罗斯Scontel 公司(2004 年)、荷兰Single quantum 公司(2012 年)、德国Pixel Photonics 公司(2020 年)、美国Photonspot 公司(2009 年) 和Quantum Opus 公司(2013 年)，以及由上海微系统所孵化出来的4688美高梅量子科技公司(2016 年)

。此表，有些半导体单光子探测器公司，好比，瑞士ID Quantique 也于2019 年推出了SNSPD 探测系统

。值得一提的是，4688美高梅公司目前占据了国内70%以上的SNSPD 市场份额，并积极地拓展海表市场，产品远销意大利、德国和新加坡等国度

。

SNSPD作为一种先进和靠得住的光子探测技术，是光量子科学技术、极限光探测等领域的沉要工具，为我们揭示了光子世界的奥秘

？蒲Ъ颐峭ü中刈暄泻痛葱，不休加深着对SNSPD 探测机造的理解，并不休地拓展着SNSPD 职能和利用场景

。

当然，作为超导探测器，SNSPD必要低温造冷，导致体积大、沉量沉、成本高

。但幸运的是，近十年里，低温造冷技术有了巨猛进取

。未来，我们将有望看到：更幼、更轻、桌面式的SNSPD系统，甚至是运行于太空的系统；集高探测效能、高速、低暗计数及低功夫抖动等多种指标于一身的、高综合机能SNSPD；超过百万像素、超大光敏面的SNSPD阵列及其利用

。此表，陪伴着资料、微纳米造作技术和系统集成技术等的进取，拥有极限探测机能指标的SNSPD 将在更宽泛的领域阐扬沉要作用，如医疗诊断、大气环境监测、遥感探测、天文观测等

。产业化过程将随着技术成熟和市场需要的增长而加快

。相信SNSPD 在未来将阐扬越发沉要的作用，为有关领域的发展做出更大贡献

。

称谢：本文获得了量子科技创新2030 沉大项目(No. 2023ZD0300100)、国度天然科学基金委员会(NSFC, No. 62371443)、中国科学院青年创新推进会优良会员等项目支持

。感激尤立星、张容嘉等人确当真审阅，并提出了贵重的批改建议

。