悠久以来，光子数分辨PNR探测器领域始终面对着一个难题：若何在实现高光子数分辨能力的同时，两全高探测效能、低暗计数、高响应速度等实用化指标？

2025年，中科院上海微系统所SNSPD幼组在《ACS Photonics》颁发的钻研成就——系统探测效能达98%、光子数分辨能力高达32的PNR超导纳米线单光子探测器(PNR SNSPD)，终于突破这一困境，为量子光学钻研注入新的活力。

一、PNR 探测器

要理解PNR探测器的沉要性，我们先从量子光学的钻研需要说起。在量子世界中，光子的行为充斥了随机性和不确定性，而很多关键的量子效应，好比光子的聚束与反聚束效应、量子态的叠加与纠缠等，都必要通过精确丈量光子数量来验证。以高斯玻色采样（GBS）为例，作为实现量子推算优势的沉要蹊径之一，它必要精确统计输出光子的数量散布，以此来体现量子推算相较于经典推算的速杜着势。

然而，打造一款高机能的PNR探测器并非易事。梦想的PNR探测器必要满足多个严苛前提：

1.高探测效能：尽可能捉拿到每一个入射光子，削减光子损失；

2.高光子数分辨能力：正确分辨分歧数量的入射光子；

3.低暗计数：在没有光子入射时，尽量削减虚伪计数，预防滋扰尝试了局；

4.快响应速度：急剧捉拿光子的达到功夫和数量信息；

5.低功夫抖动：削减光子达到功夫的丈量误差，提高功夫分辨能力。

此前，尝试室或者市面上的PNR探测器或多或少存在短板。好比超导过渡边缘传感器（TES），固然具备肯定的光子数分辨能力，但计数率通常低于1 MHz、功夫抖动在纳秒级别，还必要100 mK的超低温环境，难以满足现实尝试需要；传统的SNSPD固然探测效能高、暗计数低，但通常只能分辨 "有光子" 和 "无光子"，无法实现多光子数分辨。固然通过功夫、空间复用等伎俩能够实现肯定的光子数分辨能力，但光子数分辨数量往往幼于10个。这些局限性，让 PNR 探测器的利用领域受到极大限度，也造约了量子光学尝试向更高精度、更复杂场景的推动。

二、突破瓶颈

面对PNR探测器领域的痛点，中科院上海微系统所SNSPD幼组基于2020年开发的高探测效能SNSPD，经过近5年功夫的研发，通过创新的器件结构设计和优化的机能指标，美满平衡了高探测效能、高光子数分辨能力的实用化需要。

1. 眉山治双层纳米线结构：近100%探测效能的法门

探测效能是PNR探测器的主题指标之一，直接影响尝试数据的正确性和靠得住性。为了实现高探测效能，项目团队选取了NbN/SiO?/NbN 眉山治双层超导纳米线结构，并将其置于散布式布拉格反射镜（DBR）之上。

这种双层纳米线结构能显著加强对光子的吸收能力。传统的单层纳米线结构在吸收光子时，部门光子可能会穿过纳米线而无法被捉拿，导致探测效能损失。而双层纳米线结构就像给光子设置了 "双沉关卡"，大大提高了光子的吸收概率。同时，DBR的存在进一步加强了光的反射和吸收，让入射光子在探测器内部有更多机遇被纳米线捉拿。

经过尝试测试PNR SNSPD在1550 nm通讯波长下，单光子系统探测效能（SDE）高达98%，且暗计数率仅为20 cps。这意味着，在尝试中，每100 个入射光子中，有98 个能被探测器正确捉拿，极大削减了光子损失对尝试了局的影响。

图 1 探测器结构与效能机能图：（a）探测器结构示意图；（b）探测效能和暗计数曲线图

2. 空间复用与分流电阻设计：32 光子分辨的主题

光子数分辨能力是PNR探测器的 "魂灵"。为了突破传统SNSPD光子数分辨能力有限的瓶颈，项目团队选取了空间复用技术，并为每个像素建设了分流电阻。将探测器的感光区域（约20 μm×20 μm）划分为32个像素，这些像素通过串联方式衔接，每个像素都并联一个40 Ω的分流电阻。当入射光子触发某些像素时，像素中形成的热点电阻会超过度流电阻的阻值，此时偏置电流会通过度流电阻产生输出信号。由于分歧像素的分流电阻阻值相近，输出信号的幅杜纂入射光子的数量出现出优良的线性关系 —— 入射光子数量越多，触发的像素越多，输出信号的幅度就越大。

通过这种设计，探测器可能正确分辨1到32个入射光子。尝试中，当入射光子的均匀数量为5时，示波器上能清澈观察到8个分离的高斯峰，别离对应1到8个光子；通过扫描光强，最多可观察到32个高斯峰，证了然探测器卓越的光子数分辨能力。

图2（c）器件分辨 1-32 个光子事务波形图。（d）1-8 个光子输出幅度统计散布图。（e）分歧光子数本征预报概率，对于 1-6 个光子，正确分辨的概率超过 99%。

3. 读出电路优化

除了探测效能和光子数分辨能力，功夫抖动和计数率也是影响PNR探测器实用化的沉要成分。功夫抖动过大会导致光子达到功夫的丈量误差，影响功夫有关尝试的精度；计数率过低则无法满足高吞吐量尝试的需要。

为了降低功夫抖动，项目团队优化了探测器的读出电路，选取低温放大器和室温二级放大器相结合的方式，有效提高了响应信号的信噪比。尝试了局显示，探测器在分歧光子数下均阐发出优异的功夫抖动机能：1个光子时为382 ps，2个光子时为234 ps，32个光子时更是低至40.4 ps。在计数率方面，探测器同样阐发杰出。当探测效能降落3 dB时，计数率仍能达到41 MHz，满足绝大无数量子光学尝试的高计数率需要。

4. 探测器层析成像：高保真度的验证

为了全面评估探测器的机能，项目团队还进行了探测器层析成像尝试，通过沉构正算符值丈量（POVM）元素，分析探测器对分歧光子数事务的探测保真度。将均匀光子数μ从0.1调整到5，覆盖了大无数尝试场景下的光子数领域，纪录分歧μ值下的脉冲幅度计数，构建输入矩阵I和输出矩阵O，再沉构出保真度矩阵P。

了局显示，探测器在多光子事务探测中阐发出高保真度：单光子探测保真度为97.5%，双光子为87.4%，三光子为73.4%，四光子为40.5%，证了然探测器在正确沉构入射光子数状态方面的卓越能力。

为了进一步验证保真度矩阵的正确性，项目团队利用沉构的保真度矩阵进行量子态沉构，将沉构的输入散布与预期输入散布进行对比。通过推算 Hellinger 距离（一种衡量概率散布类似性的指标）发现，当μ<1.5时，H值通常幼于 0.1，批注沉构了局与现实输入高度吻合，进一步证实了探测器的高保真度。

三、实用化的意思

PNR SNSPD实现实用化，不仅是探测器技术领域的一次突破，更将为量子光学尝试带来一系列深远影响，推动多个量子领域的发展。

1. 高斯玻色采样：量子推算优势验证的强力支持

高斯玻色采样作为实现量子推算优势的沉要方向，其主题是通过统计输出光子的数量散布来体现量子推算的速杜着势。此前，由于PNR探测器机能的限度，GBS尝试往往难以正确获取大量光子的数量信息，影响量子推算优势的验证成效。

具备32光子分辨能力和98%的高探测效能的PNR SNSPD，能正确捉拿GBS尝试中输出光子的数量散布，为GBS尝试提供更精准的数据支持。同时，41 MHz 的高计数率能加快尝试数据的采集速度，缩短尝试周期，助力科学家更高效地验证量子推算优势。

2. 量子通讯：提升密钥分发的安全性与效能

在量子密钥分发（QKD）中，窃听者可能通过截获和沉发光子来获取密钥信息。PNR探测器能通过精准分辨光子数量，有效分辨合法信号（通常为单光子）和窃听者的滋扰信号（可能蕴含多光子），从而提高QKD的安全性。

PNR SNSPD不仅能正确分辨单光子和多光子，还具备低暗计数率和高探测效能的优势。低暗计数率削减了虚伪信号对密钥天生的滋扰，高探测效能则提高了密钥天生的速度，为量子通讯的实用化推广提供了关键支持。

3. 量子计量：高精度丈量的新工具

量子计量利用量子效应实现超过经典极限的丈量精度，在原子钟、引力波探测等领域拥有沉要利用。在量子计量尝试中，往往必要精确丈量光子的数量和达到功夫，对探测器的机能提出了极高要求。

PNR SNSPD兼具高光子数分辨能力、低功夫抖动和高探测效能，能满足量子计量尝试对光子丈量精度的严苛需要。好比在原子钟尝试中，它能够正确丈量光子的达到功夫，提高原子钟的精度；在引力波探测中，它能捉拿到引力波引起的光子数量变动，助力科学家更精准地探测引力波。

4. 基础量子光学钻研：索求量子世界的新视角

除了上述利用领域，PNR SNSPD还将为基础量子光学钻研提供新的工具，援手科学家索求更多未知的量子效应。

好比在多光子纠缠尝试中，此前由于探测器光子数分辨能力的限度，科学家难以正确观察多光子纠缠的细节。能分辨32个光子的PNR SNSPD，为钻研多光子纠缠提供了更精准的观测伎俩，有望推动多光子纠缠理论的发展。

在光子聚束和反聚束效应的钻研中，高探测效能和低暗计数率能让尝试数据更正确，援手科学家更深刻地理解光子的统计个性，为量子光学理论的美满提供尝试支持。

四、未来瞻望

固然PNR SNSPD已经实现了实用化，但在机能优化和利用拓展方面，仍有巨大的潜力期待挖掘。

1. 进一步提升光子数分辨能力

目前，探测器能分辨32个光子，但通过以下步骤，有望将这一指标进一步提升：

• 提高纳米线的开关电流：探测器目前选取的纳米线开关电流约为18 μA，通过优化器件衬底、超导资料和纳米线造备工艺，将开关电流提升至25-30 μA，有望将光子数分辨能力提升至50以上；

• 结应时空复用技术：功夫复用技术已被证明能实现100以上的光子数分辨，未来能够将空间复用与功夫复用相结合，在维持高计数率的同时，进一步提升光子数分辨能力；

• 利用脉冲的多维度信息：除了脉冲幅度，脉冲的上升沿、降落沿等信息也蕴含了光子数的有关信息。未来，能够通过度析这些多维度信息，进一步提高光子数分辨的正确性和领域。

2. 拓展波长响应领域

目前，探测器重要针对1550 nm通讯波上进行优化，但超导纳米线自身具备宽光谱响应个性，未来项目团队能够通过调整纳米线的资料和结构，拓展探测器的波长响应领域，使其在可见光、近红表甚至中红表区域都能维持优异机能。

这将让探测器在更多领域阐扬作用，好比在生物医学领域，可用于荧光成像尝试中的光子计数；在天文学领域，可用于探测天体发出的红表光子，助力天体物理钻研。

3. 集成化与幼型化

为了更好地适应量子尝试的集成化趋向，未来将优化探测器的封装工艺，降低尝试装置的复杂度，推动PNR SNSPD的集成化与幼型化，让更多尝试室可能便捷地使用高机能的PNR探测器，推动量子光学尝试的遍及。

五、结语

从理论构思到尝试验证，从机能突破到实用化落地，PNR SNSPD经历了无数次的尝试与优化，终于突破了PNR探测器实用化的瓶颈，为量子光学尝试提供了一款机能卓越的工具。

在量子科技飞速发展的今天，探测器技术的进取往往能推动整个领域的突破。PNR SNSPD将成为量子光学尝试的沉要工具，助力科学家在量子推算、量子通讯、量子计量等领域获得更多沉大成就，推动量子科技走向更辽阔的未来。

论文链接：

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