'我國超導單光子探測器探測效率超90%！促進量子技術的廣泛應用'

在國際量子信息領域，各國競爭非常激烈，其核心元器件技術一直都是高度保密的，而且屬於國際禁運對象，其中高性能單光子探測器是量子調控中不可或缺的關鍵核心部件。

可能大家對這個探測器沒有什麼概念，小艾給大家解釋一下，單光子探測技術就是探測一個光子的技術，是代表光信號探測能力的極限，那麼這個技術對於量子信息領域到底有多重要？小艾打個比方，假設一滴水滴是水的最小單元，通常情況下水龍頭打開之後水嘩嘩流出來，而量子調控就像用水龍頭控制每一顆水滴滴下來，單光子探測器相當於探測到滴下來的每一滴水滴，我們就要把探測到的單個光子轉化為電信號，如今我們的探測水平達到了90%。

我們在這方面的專家尤立星於2007年回國，在上海微系統所開展低溫超導納米線單光子探測器（SNSPD）技術的研發，單光子探測器的研發是一個非常複雜的系統工程，從材料生產、加工到系統集成必須從零開始探索。剛開始的時候，我們的探測水平只能達到20%，和國外差距巨大。

尤立星團隊通過研發新型電路結構，提高了系統的穩定性與可靠性，並將其應用環境從實驗室環境，做到適應於實際現場環境。2012年，我國自主研發的SNSPD第一次成功應用到城際量子密鑰分發網絡中。潘建偉在用戶報告提到：“與國外同類型單光子探測器相比，上海微系統所研製的SNSPD系統基於機械製冷技術實現了即插即用，既大大提升了用戶友好性能，又顯著降低了應用成本，具有很好的推廣價值。”

2013年，美國採用硅化鎢材料研發的SNSPD探測效率最高可達93%，而我國採用的氮化鈮材料製備的SNSPD探測效率只有4%。經過4年的攻關，2016年，團隊終於在國際上率先實現NbNSNSPD器件在光纖通信1550納米波長的探測效率超過90%，並持續保持NbNSNSPD器件效率世界紀錄。相關結果發表之後受到國內外的廣泛關注，SNSPD 器件主要有兩種光耦合方式，一種是垂直光耦合方式，光纖端面平行於 SNSPD 光敏面，光子垂直入射到納米線上，採用光學腔體或反射鏡結構實現高效光耦合。該光耦合結構的特點是，可以實現高光耦合效率，但受限於光耦合結構，工作波長範圍受限。另一種光耦合方式是波導光耦合方式，將納米線製備在光波導上，可實現高效的本徵吸收。但光纖到波導的耦合效率較低，使這類器件僅能作為片上光子學的解決方案，無法作為獨立單光子探測器使用。

尤立星研究員團隊和浙江大學教授方偉、童利民團隊合作，首次提出微納光纖耦合的 SNSPD 器件結構。該結構將 SNSPD 器件置於微納光纖的倏逝場內，實現納米線對微納光纖中傳輸的光子吸收。光學計算顯示，該類結構有望實現高吸收效率的同時，保持很好地寬譜特性。

超導納米線單光子探測器（SNSPD）由薄（≈5nm）和窄（≈100nm）超導納米線組成。該長度通常為數百微米，曲折成緊湊的正方形或圓形形狀圖案。納米線被冷卻到遠低於其超導臨界溫度，並施加直流偏置，該直流電流接近但小於納米線的超導臨界電流。一旦一個光子入射到納米線，就會打破形成庫珀對（糾纏態）的電子，形成具有有限電阻的局部非超導區域（或熱點），流過臨界偏置電流就會減少。結果，電流就會在器件中產生一個電壓脈衝。在光子被吸收之後，超導納米線會在短時間內恢復到原來的狀態，等待下一個光子檢測。

海微系統所研發的SNSPD系統徹底解決了我國高性能SNSPD技術的有無問題，性能指標達到了國際先進水平，為我國量子信息領域的可持續發展提供了關鍵技術支撐。這項技術將應用在量子通信、光量子計算、激光雷達、深空通信等多個領域。

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