量子調控的神助攻——
我國單光子探測器探測效率超百分之九十
侯樹文 本報記者 王 春
把「命門」掌握在自己手中
作為國際戰略新興技術，量子信息領域面臨著激烈的國際競爭，其核心元器件技術受到國際禁運的影響。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，也曾在國際禁運之列。
「光子是光的最小單元，一個10瓦的燈泡1秒鐘可以發出約1020個光子。」中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱上海微系統所）研究員尤立星博士向科技日報記者介紹，單光子探測技術就是探測一個光子的技術，代表光信號探測能力的極限。
單光子探測器對量子信息領域到底有多重要？尤立星打了一個比方：假設一顆水滴是水的最小單元，通常情況下水龍頭打開水譁譁譁流出來，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顆水滴。「我們就要把探測到的單個光子轉化為電信號，當前的探測水平是，如果發射100個光子，我們可以探測到90個。」
SNSPD特種兵與量子信息國家隊的配合戰
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。該技術利用超導納米材料對光敏感的特性，來實現對單個光子的探測。
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。在還沒有自主掌握SNSPD核心技術之前，我國進行量子通信試驗所使用的單光子探測器，效率只有20%，且噪聲極大，與國際最高水平相差甚遠。缺乏高性能單光子探測器已經嚴重影響到我國量子信息領域科學家與國外同行的競爭。
尤立星表示，我國單光子探測器的起步和發展是從用戶需求中探尋出科研方向，第一步就是要實現器件的實用性和可靠性。
在與中國科學技術大學微尺度國家實驗室潘建偉院士團隊的合作中，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。」
關鍵技術突破推動我國SNSPD科研邁向產業化
就在我國SNSPD從無到有，實現國內自主可控的同時，國際上單光子探測器技術水平也有了突飛猛進的發展。我國量子信息領域的快速發展也對SNSPD探測效率提出了更高需求。
尤立星介紹，2013年，美國採用矽化鎢（WSi）材料研發的SNSPD探測效率最高可達93%，而我國當時採用氮化鈮（NbN）材料製備的SNSPD探測效率只有4%。「WSi材料製備的器件需要比NbN更低的工作溫度，因此低溫製冷裝備的成本也要成倍地增加。」尤立星團隊堅持在利用NbN材料開展SNSPD研發的方向上繼續前進。經過4年左右的鑽研，2016年，團隊終於在國際上率先實現NbN SNSPD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NbN SNSPD器件效率世界紀錄。
「背景暗計數抑制是降低探測系統噪聲的關鍵。」尤立星講到，所謂暗計數就是噪聲，噪聲越低，系統信噪比就越高。當時國外也有一些降低噪聲的方法，但是這些方法同時也減弱了信號。「就像化療在殺死癌細胞的同時也殺死了健康細胞。」團隊對噪聲的起源進行研究後發現，與晶片相連光纖的黑體輻射是背景噪聲的主要來源。在此基礎上，他們研發出片上集成低溫濾波器和光纖端面低溫濾波器兩種暗計數抑制關鍵技術。
「新方法極大降低了殺死正常細胞的概率，專殺『癌細胞』，是一種靶向治療。」尤立星這樣比喻。據悉，採用該方法的超低暗計數SNSPD系統探測效率可以在暗計數1赫茲條件下達到80%，居國際領先水平。目前該技術已獲得了中、美、日三國專利授權。
在我國高性能SNSPD器件技術不斷前進的過程中，潘建偉團隊先後創造了404公裡可抵禦黑客攻擊的光纖量子密鑰分發、量子隨機數發生器等多項國際領先的成果，量子密鑰分發成果還入選「兩院院士評選2014年中國十大科技進展新聞」。2015年，潘建偉再次提供用戶證明：「上海微系統所研發的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。」
SNSPD在效率等性能上的絕對優勢能夠推動其在量子通信、光量子計算、雷射雷達、深空通信等多個領域拓展應用。在中科院新時期「面向國民經濟主戰場」的辦院方針以及國家「雙創」政策鼓勵下，上海微系統所孵化成立了小型高科技公司，開展SNSPD技術的產業化運作。尤立星表示，目的是要解決國家的應用需求，通過市場化方式實現高科技的自我生存和技術迭代，在科研與產業之間搭建一座橋梁。