上海微系統所實現實用化超導單光子探測器性能突破

2020-12-05 中國科學院

　　超導納米線單光子探測器（SNSPD）是本世紀初出現的一種新型的單光子探測技術，其探測效率、暗計數、時間抖動等性能指標明顯優於傳統的半導體單光子探測器，受到國內外學術界的廣泛關注，並已經廣泛應用於量子通信、量子計算等領域，並有力推動了量子信息技術的發展。

　　在光纖通信1550納米工作波長，美國國家標準與技術研究所Marsili等人採用極低溫超導材料WSi製備的SNSPD，實現了最高探測效率達93%。然而，WSi-SNSPD通常工作在1K以下工作溫度，必須採用昂貴複雜的深低溫制冷機（比如稀釋制冷機等），這極大限制了這類高性能單光子探測器的應用。

　　國內外眾多研究人員在努力採用更高超導轉變溫度的NbN材料研製SNSPD，以期在2K以上工作溫度實現高探測效率，採用小型化用戶友好的閉合循環制冷機就可以工作，從而大大降低使用成本。經過10多年的努力，NbN-SNSPD探測效率最高只達到80%左右，和WSi-SNSPD探測效率有明顯差距。要想達到90%以上的探測效率，需要同時對多個不同的參數，如光耦合效率、光吸收效率、本徵探測效率等進行優化，到目前為止尚未有成功報導。

　　中國科學院上海微系統與信息技術研究所（中科院超導電子學卓越創新中心）研究員尤立星團隊開展超導單光子探測研究近10年，在探測器研製和應用方面取得了多項國際領先成果，受到了國內外廣泛關注。與中國科學技術大學潘建偉團隊合作，曾多次創造量子信息領域實驗的世界紀錄，並保持了目前光纖量子通信404公裡世界紀錄。

　　該團隊的最新成果揭示，基於小型閉合循環制冷機，2.1K工作溫度下，NbN-SNSPD系統探測效率（1550 nm工作波長）可以超過90%。隨著溫度降低到1.8K，探測效率可以進一步提升到92%。SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 2017年第12期以封面文章形式報導了這一發現。日本情報通信研究機構SNSPD研究著名學者Shigehito Miki在雜誌同期以Quest towards ultimate performance in superconducting nanowire single photon detectors為題進行了評述。論文第一作者為助理研究員張偉君，通信作者為尤立星。

　　論文發表後受到了廣泛關注，眾多國外科技媒體報導或轉載該成果。本文工作獲得了國家重點研發計劃項目「高性能單光子探測技術」、中科院B類戰略性先導科技專項「超導電子器件應用基礎研究」、國家自然科學基金以及上海市科委等的資助。

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