近日，中國科學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、多線并行工作的方式實現最大計數率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日在線發表在中國科學院一區學術期刊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(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在月地、火地等深空激光通信，高速量子密鑰分發，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、速度和時間分辨率等方面難以滿足當前應用需求；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間抖動，同時需要極低工作溫度和復雜的讀出制冷系統。近年來超導納米線單光子探測器(SSPDs)因其高效率、低暗計數率和優異的時間分辨率，在量子通信、光學量子計算和量子力學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強非線性轉變的限制，利用響應波形等信息區分光子數時測量難度較大。多像素SSPD陣列是一種由納米線并行工作的新型器件架構，與單元SSPD相比，多像素器件由于其納米線幾何形狀和光學結構具有高效率和低暗計數，而且可通過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，兼顧提高光子吸收率和探測速度。經表征，納米線制備良率為61/64，在1550 nm波長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實驗等應用。
 

圖3 光子數統計分布隨入射光強的變化關系圖
 

　　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新2030重大項目 (2023ZD0300100); 上海市揚帆計劃(21YF1455500, 21YF1455700, 22YF1456500); 中國科學院青年促進會項目(2020241, 2021230); 上海市量子重大專項 (2019SHZDZX01);國家自然科學基金(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驗室工藝平臺(SELF)的支持。