上海微系統所超導單光子探測器效率研究獲進展

　　中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員尤立星團隊利用無損介質鏡面結合三明治結構超導納米線，實現了NbN材料超導納米線單光子器件（SNSPD）98%的探測效率，再次創造了NbN SNSPD探測效率的新的世界紀錄。

　　100%系統探測效率（SDE）是單光子探測器發展的最終目標，在量子基礎理論驗證和量子信息科技中具有應用價值。SNSPD憑藉高探測效率、低暗計數、低時間抖動等性能指標，在量子通信、量子計算、深空光通信、生物螢光成像等領域發揮重要作用，推動了量子信息技術和其他前沿科學的發展。對SNSPD來說，實現100%效率的關鍵難點在於，需同時實現接近100%的本徵探測效率和吸收效率。由於二者之間的糾纏制衡關係，相比於其他低Tc的超導材料（如WSi），高Tc的NbN材料SNSPD實現高SDE的難度更大。2017年，研究人員通過工藝優化，首次報導了基於小型閉合循環制冷機，2.1 K工作溫度下，NbN-SNSPD系統探測效率（1550 nm工作波長）可超過90%；2019年，研究人員發明了離子注入等手段，首次打破了NbN本徵探測效率和吸收效率的制衡關係，再次實現了90%探測效率SNSPD器件，為極限效率探測研究奠定基礎。

　　近期，經過系統分析，研究團隊提出了無損介質鏡面加三明治超導納米線的器件架構，再次打破了NbN SNSPD器件的本徵探測響應和光學吸收效率的制衡關係，實現了兩者的同時提升。在0.8 K工作溫度，1590 nm波長實現了98%的系統探測效率，在1530-1630 nm波長範圍內的系統效率超過95%。該類型的探測器還顯示出對多種參數的魯棒性，例如，在2.1 K溫度下，同一批次製造的45個探測器，SDE大於80%（90%）的產率達73%（36%），對批量生產及商業化應用具有實際意義。

　　相關研究成果以Detecting single infrared photons toward optimal system detection efficiency（《最優效率紅外單光子探測》）為題，在線發表在Optics Express上，博士研究生胡鵬為論文第一作者，副研究員李浩和尤立星為論文的通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃項目「高性能單光子探測技術」、國家自然科學基金、上海市科委量子專項、上海市啟明星、上海市優秀學術帶頭人、中科院青年創新促進會等的支持。

　　

　　圖1.（a）器件架構示意圖；（b）傳統單層納米線與本文中的三明治結構納米線；（c）器件光子響應和光學吸收的制衡關係

　　

　　圖2.（a）器件效率隨偏置電流變化關係；（b）器件在不同波段下的探測效率和仿真結果