在生物医药尝试室里，科研人员时时面对一个辣手的难题：很多生物样本对红表光极为敏感，高强度照射会导致蛋白质构象扭转、DNA链断裂，而传统光谱仪在低光前提下又会被噪声覆没，无法捉拿到分子的真实“指纹”。

最近，中国科学院上海微系统与信息技术钻研所的SNSPD钻研幼组用“超导探测器+量子关联”的组合拳突破了这个僵局。这款全新的中红表光谱平台，凭借超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的超高活络度，搭配量子关联的噪声筛选能力，实现了超低光环境下的精准检测，让生物样本“无危险”光谱分析成为现实。

中红表光谱（2.5-25 微米）是解析分子结构的 “火眼金睛”—— 从化学成分鉴定、环境传染物追踪，到生物医药领域的疾病诊断，它都能通过捉拿分子振动的怪异 “指纹” 输出精准数据。目前尝试室的主流工具嘎凤叶变换红表光谱仪（FTIR），虽以宽光谱覆盖、高分辨率稳居行业标杆职位，但其 “探测器” 这一主题部件仍面对瓶颈。

传统 FTIR 选取的氘化三甘氨酸硫酸盐（DTGS）或碲镉汞（HgCdTe）探测器，有个重要局限：低光子通量下活络度会显著降落。更辣手的是，中红表波段的室温黑体辐射强度，比可见光 / 近红表波段逾越 10¹⁰-10¹⁵倍，海量布景噪声会直接 “覆没” 幽微的分子信号，让光谱图变得一片吞吐。

这就形成了无解的 “两难困境”：想要清澈信号，就得提高光照强度，但光敏样本底子扛不住 —— 几毫瓦每平方厘米的红表辐射，就可能粉碎水分子氢键网络、扭转酶活性，导致检测了局失真；可一旦降低光照强度，信号又会被噪声吞噬，连有效分析都无法实现。

为突破瓶颈，科研人员试过不少创新规划：非线性过问光谱（NIS）用关联光子间接探测，双梳光谱（DCS）靠光学频率梳提分辨率，频率上转换技术把中红表光子转成可见光或近红表检测…… 但这些技术要么过问可见度低、受相位噪声影响大，要么必要强泵浦场和复杂的光学系统，“低光下信噪比差” 的主题痛点呼叫着探测技术的新范式与底子性突破——超导探测器的出现有望突破这一僵局。

面对传统技术的僵局，中国科学院上海微系统与信息技术钻研所团队另辟蹊径，将超导纳米线单光子探测（SNSPD）与量子关联两大前沿技术创新融合，打造出全新的中红表光谱检测平台 —— 前者是 “超等捕光手”，后者是 “精准降噪器”，二者共同突破了低光检测的瓶颈。

图1 尝试装置

1. 超导探测器（SNSPD）：中红表波段的 “活络度天花板”

作为近年探测领域的 “明星技术”，SNSPD 在可见光与近红表波段的机能堪称顶尖：系统探测效能靠近 100%，计数率超 5GHz，暗计数低于 0.1 次 / 秒，功夫抖动幼于 10 皮秒，各项指标远超传统探测器。随着超导资料与结构设计的突破，SNSPD 的 “能力圈” 成功延长至中红表波段。本次钻研中，团队选取此前研发的 γ-Nb₄N₃基中红表 SNSPD，在 2.95 微米波长实现32.5%的器件探测效能（蕴含光吸收效能和本征探测效能），为捉拿幽微分子信号筑牢了基础。

更关键的是，团队为中红表 SNSPD 定造了 “专属降噪设备”—— 中心波长 3460 纳米、带宽 140 纳米的低温带通滤波器。这一设计既能精准抑造室温黑体辐射（中红表 SNSPD 的重要噪声源），又能聚焦指标检测波段，且滤波器可按需更换，大幅提升了设备合用性。

2. 量子关联：给光子 “配对”，实现噪声 “精准筛选”

中红表波段的布景噪声极强，即便 SNSPD 也未免受滋扰。这时，量子关联技术就成了 “降噪神器”，与超导探测器形成美满互补。团队利用PPLN晶体，通过 “自觉参量下转换” 天生一对 “心有灵犀” 的关联光子对：一个进入中红表波段（信号光子），穿过样本时携带分子振动信息；另一个留在近红表波段（闲频光子），作为 “参照物” 用于信号筛选和波长选择。

由于关联光子对具备精确的功夫与光谱关联性，钻研人员通过 “符计算数” 技术 —— 用功夫象征器纪录两个光子的达到功夫差，只统计同时到达的光子对 —— 就能像 “筛选特定频率的对讲机信号” 一样，从海量布景噪声中精准提取出携带样本信息的信号光子，从而脱节黑体辐射的滋扰。

为检验 “量子+超导” 系统的实战能力，团队搭建了齐全尝试装置 —— 泵浦激光经 PPLN 晶体天生关联光子对后，由双色镜分离为两路：中红表光子穿过样本被中红表 SNSPD 捕获，近红表光子经单色仪筛选后由近红表 SNSPD 探测，再通过功夫象征器纪录光子达到功夫差、进行符计算数，最终沉建样本吸收光谱。

1. 主题肠能：超低光下的 “超活络阐发”

通过调节 PPLN 晶体温度（20℃-100℃），系统实现了3350-3540纳米的光谱覆盖，在 3.4 微米波利益的分辨率达 3.7 cm^-1。最关键的突破在于 “超低光照射”—— 整个系统的照射光子通量仅 4.4×10⁶光子/秒（相当于250飞瓦光功率），远低于传统光谱仪，从底子上预防了光敏样本的光危险。

信噪比的提升更堪称 “飞跃”：与传统单通路中红表检测相比，低泵浦功率下，计数信噪比直接提升312倍；即便在较高泵浦功率下，也能实现32倍提升。这种成效好比在嘈杂菜市场里清澈听见对面人的耳语，正是超导探测器的超高活络杜纂量子关联的精准降噪共同作用的了局。

2. 样本测试：与传统 FTIR 高度吻合，靠得住性拉满

为验证实用性，团队对 38 微米厚的聚苯乙烯（PS）薄膜、10 微米厚的聚乙烯（PE）薄膜发展检测。了局显示，系统精准捉拿到两种聚合物中 CH?基团的特点吸收峰：PS 在 3400-3450 纳米波段，PE 在 3500-3525 纳米波段，峰的地位与状态和传统 FTIR 光谱（4 cm^-1分辨率）高度吻合。

图2 光谱丈量了局

这不仅证了然系统的正确性，更凸显了超导探测器的靠得住性 —— 即便在超低光环境下，它仍能稳稳抓住分子的幽微振动信号，为蛋白质、DNA 等光敏生物样本，以及各类敏作用学资料的 “无危险精准分析”，提供了实打实的技术保险。

表1 现有中红表光谱仪的机能对比

只管目前系统已经阐发杰出，团队仍规划了四大优化方向，进一步开释超导探测器的潜力：

1. 扩大光谱领域：通过调整PPLN晶体的极化周期，或选取新型非线性资料，将光谱覆盖从当前的190纳米带宽扩大到2-8微米，满足更多领域的检测需要。

2. 抑造暗计数：针对中红表SNSPD的暗计数起源（表部环境热辐射、室温光纤的本征热发射），打算选取低温冷却耦合组件，或全低温自由空间光学耦合架构，将暗计数节造在10⁴次/秒以下，使信噪比再提升两个数量级。

3. 提升检测效能：集成光子数分辨SNSPD，过滤掉多光子事务，削减无意符计算数，提高符计算数率和关联保真度，从而缩短检测功夫，让系统更适合实时监测场景。

4. 改革扫描方式：用色散嘎凤叶变换技术代替传统的机械光栅扫描，通过波长-功夫映射实现急剧光谱获取，大幅缩短数据采集功夫。

从传统中红表光谱“低光无信号、强光伤样本”的两难困境，到量子关联技术的破局，这项钻研不仅彰显了量子与超导探测融合的巨大潜力，更给低光、光敏样本的光谱分析启发了全新蹊径。

传统技术在活络杜纂样本；ぜ涞拿，被量子关联的“精准筛噪”与超导探测器的“超高活络”彻底化解——312倍信噪比提升、4.4×10⁶光子/秒的超低照射强度，再加上与传统FTIR高度吻合的检测了局，硬核数据直接印证了技术的靠得住与先进。

随着技术持续优化，这款量子关联中红表光谱平台有望成为生物医药、环境科学、资料工程等领域的“标配工具”，让更多光敏样本的无危险检测从梦想照进现实，推动有关学科钻研迈入新阶段。而作为刷新“主题引擎”的超导探测器，也将与量子技术深度融合，不休刷新光谱检测的极限，未来势必在更多领域开释能量。

论文第一作者为上海微系统所博士生郑晓晴，通讯作者为上海微系统所尤立星与周慧钻研员。