中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所李浩、尤立星團(tuán)隊(duì)，利用三明治結(jié)構(gòu)超導(dǎo)納米線、多線并行工作的方式實(shí)現(xiàn)最大計(jì)數(shù)率5GHz、光子數(shù)分辨率61的超高速、光子數(shù)可分辨光量子探測(cè)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日在線發(fā)表在中國(guó)科學(xué)院一區(qū)學(xué)術(shù)期刊Photonics Research期刊上，并入選編輯推薦（Editor’s Pick)。

圖1 器件結(jié)構(gòu)(a)、超導(dǎo)納米線(b)、器件封裝(c)及制冷系統(tǒng)(d)

高速、光子可數(shù)分辨單光子探測(cè)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(jì)算中具有重要應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的單光子探測(cè)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(dāng)前應(yīng)用需求；超導(dǎo)轉(zhuǎn)變沿傳感器具有較好的光子數(shù)分辨能力和較高的探測(cè)效率，但具有較低的探測(cè)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(fù)雜的讀出制冷系統(tǒng)。近年來(lái)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SSPDs）因其高效率、低暗計(jì)數(shù)率和優(yōu)異的時(shí)間分辨率，在量子通信、光學(xué)量子計(jì)算和量子力學(xué)原理驗(yàn)證等方面廣泛應(yīng)用。

盡管傳統(tǒng)的單元SSPD具有出色的性能，但由于其讀出電路和探測(cè)器恢復(fù)時(shí)間限制，其探測(cè)速率（計(jì)數(shù)率）通常僅幾十MHz。此外，單元SSPD的光子數(shù)分辨能力受到超導(dǎo)到正常態(tài)強(qiáng)非線性轉(zhuǎn)變的限制，利用響應(yīng)波形等信息區(qū)分光子數(shù)時(shí)測(cè)量難度較大。多像素SSPD陣列是一種由納米線并行工作的新型器件架構(gòu)，與單元SSPD相比，多像素器件由于其納米線幾何形狀和光學(xué)結(jié)構(gòu)具有高效率和低暗計(jì)數(shù)，而且可通過(guò)并行工作增強(qiáng)計(jì)數(shù)率和光子數(shù)分辨能力，為高速光子的探測(cè)和光子數(shù)分辨提供了優(yōu)異的解決方案。

圖2 器件探測(cè)效率(a)及探測(cè)效率隨計(jì)數(shù)率變化關(guān)系(b)

在這項(xiàng)工作中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研制了高效率、超高速、高光子數(shù)分辨率的超導(dǎo)探測(cè)器集成系統(tǒng)。為保證探測(cè)系統(tǒng)的輕便、可靠性，該項(xiàng)目搭建基于GM 小型制冷機(jī)制冷集成系統(tǒng)，支持64路電通道，最低工作溫度為2.3 K。探測(cè)器芯片在分布式布拉格反射器上集成64條超導(dǎo)納米線，兼顧提高光子吸收率和探測(cè)速度。經(jīng)表征，納米線制備良率為61/64，在1550 nm波長(zhǎng)下的系統(tǒng)探測(cè)效率達(dá)90%，最大計(jì)數(shù)率為5.2 GHz，探測(cè)效率下降3dB時(shí)計(jì)數(shù)率為1.7GHz, 光子數(shù)分辨率為61。該探測(cè)系統(tǒng)代表了光量子探測(cè)技術(shù)的重大突破，其卓越的性能指標(biāo)將有望支撐深空激光通信、高速率量子通信以及基礎(chǔ)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用。

圖3 光子數(shù)統(tǒng)計(jì)分布隨入射光強(qiáng)的變化關(guān)系圖

論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士研究生張?zhí)熘透呒?jí)工程師黃佳，通訊作者為上海微系統(tǒng)所李浩研究員。該研究得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目、上海市量子重大專(zhuān)項(xiàng) 、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。本工作感謝賦同量子科技（浙江）有限公司在器件測(cè)量設(shè)備方面的幫助以及超導(dǎo)電子實(shí)驗(yàn)室工藝平臺(tái)的支持。