上海微系統所實(shí)現超高速、光子數可分辨光量子探測器
近日，中國科學(xué)院上海微系統所李浩、尤立星團隊，利用三明治結構超導納米線(xiàn)、多線(xiàn)并行工作的方式實(shí)現最大計數率5GHz、光子數分辨率61的超高速、光子數可分辨光量子探測器，相關(guān)成果以“Superconducting single photon detector with speed of 5 GHz and photon number resolution of 61”為題于2024年5月31日在線(xiàn)發(fā)表在中國科學(xué)院一區學(xué)術(shù)期刊Photonics Research上(https://doi.org/10.1364/PRJ.522714)，并入選編輯推薦（Editor’s Pick)。
圖1 器件結構(a)、超導納米線(xiàn)(b)、器件封裝(c)及制冷系統(d)
高速、光子可數分辨單光子探測技術(shù)在月地、火地等深空激光通信，高速量子密鑰分發(fā)，光量子計算中具有重要應用前景。傳統的單光子探測器，如雪崩光電二極管和光電倍增管，在效率、速度和時(shí)間分辨率等方面難以滿(mǎn)足當前應用需求；超導轉變沿傳感器具有較好的光子數分辨能力和較高的探測效率，但具有較低的探測速度和較大的時(shí)間抖動(dòng)，同時(shí)需要極低工作溫度和復雜的讀出制冷系統。近年來(lái)超導納米線(xiàn)單光子探測器（SSPDs）因其高效率、低暗計數率和優(yōu)異的時(shí)間分辨率，在量子通信、光學(xué)量子計算和量子力學(xué)原理驗證等方面廣泛應用。盡管傳統的單元SSPD具有出色的性能，但由于其讀出電路和探測器恢復時(shí)間限制，其探測速率（計數率）通常僅幾十MHz。此外，單元SSPD的光子數分辨能力受到超導到正常態(tài)強非線(xiàn)性轉變的限制，利用響應波形等信息區分光子數時(shí)測量難度較大。多像素SSPD陣列是一種由納米線(xiàn)并行工作的新型器件架構，與單元SSPD相比，多像素器件由于其納米線(xiàn)幾何形狀和光學(xué)結構具有高效率和低暗計數，而且可通過(guò)并行工作增強計數率和光子數分辨能力，為高速光子的探測和光子數分辨提供了優(yōu)異的解決方案。
圖2 器件探測效率(a)及探測效率隨計數率變化關(guān)系(b)
在這項工作中，項目團隊研制了高效率、超高速、高光子數分辨率的超導探測器集成系統。為保證探測系統的輕便、可靠性，該項目搭建基于GM 小型制冷機制冷集成系統，支持64路電通道，最低工作溫度為2.3 K。探測器芯片在分布式布拉格反射器上集成64條超導納米線(xiàn)，兼顧提高光子吸收率和探測速度。經(jīng)表征，納米線(xiàn)制備良率為61/64，在1550 nm波長(cháng)下的系統探測效率達90%，最大計數率為5.2 GHz，探測效率下降3dB時(shí)計數率為1.7GHz, 光子數分辨率為61。該探測系統代表了光量子探測技術(shù)的重大突破，其卓越的性能指標將有望支撐深空激光通信、高速率量子通信以及基礎量子光學(xué)實(shí)驗等應用。
圖3 光子數統計分布隨入射光強的變化關(guān)系圖
論文第一作者為上海微系統所博士研究生張天柱和高級工程師黃佳，通訊作者為上海微系統所李浩研究員。該研究得到了科技創(chuàng )新2030重大項目 (2023ZD0300100); 上海市揚帆計劃(21YF1455500, 21YF1455700, 22YF1456500); 中國科學(xué)院青年促進(jìn)會(huì )項目(2020241, 2021230); 上海市量子重大專(zhuān)項 (2019SHZDZX01);國家自然科學(xué)基金(12033007,61827823, 61971408)等項目資助。本工作感謝賦同量子科技（浙江）有限公司在器件測量設備方面的幫助以及超導電子實(shí)驗室工藝平臺（SELF)的支持。論文鏈接見(jiàn)：https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-12-6-1328&id=551302。
