上海微系統所超導電子實驗室尤立星、李浩、張孝富團隊通過超薄超導薄膜材料優化、自主微型低溫杜瓦研制，成功實現了基于商用無人機平臺的高探測效率超導單光子探測系統。該研究成果于2月13日以“Drone-based superconducting nanowire single-photon detection system with a detection efficiency of more than 90%” 發布在學術期刊《Advanced Photonics Nexus》上，論文鏈接地址為https://doi.org/10.1117/1.APN.4.2.026003.
 

　　超導單光子探測器(SSPD)因其高效率、低暗計數率和優異的時間分辨率，成為量子信息領域的使能技術。上海微系統所在中國科學院戰略先導專項、科技部重點研發計劃等項目支持下，研制的SSPD器件和系統性能均達到了國際先進水平，并實現產業化。國產SSPD系統已經在我國量子通信和光學量子計算等方面得到了廣泛的應用，有效避免了該領域核心探測器的卡脖子問題。由于SSPD通常采用低溫超導材料Nb(Ti)N等研制，其性能隨著工作溫度降低而逐漸提升。因此，主流的SSPD系統采用小型機械制冷機，典型工作溫度在2K左右。這類SSPD系統尺寸、功耗和體積較大，主要適合于九章光量子計算原型機、光纖量子通信等地面應用。然而，機載量子信息應用需求不僅需要高的探測性能指標，還需要系統的體積、功耗和尺寸都足夠小，并具備快速部署的能力，但是不需要連續長時間工作，傳統基于GM制冷機的SSPD系統已無法滿足機載應用需求。如果SSPD的工作溫度能夠提升至4.2K，結合液氦杜瓦，可以實現SSPD系統體積、尺寸和功耗的大幅減小，有望實現機載應用。
 

　　上海微系統所張孝富、馬若巖等通過對NbTiN薄膜材料進行組分優化，提高薄膜均勻性和臨界溫度，使得SSPD在4.2K實現了近飽和的本征探測效率，并結合上海微系統所發展的成熟SSPD制備工藝技術，實現探測效率達到90%。與賦同量子合作，自行研制了小型液氦杜瓦和外圍電路，并在世界上首次實現可機載SSPD系統。無人機飛行實驗實測探測效率達到90%。該實驗的成功為未來機載量子信息(量子通信、激光雷達等)發展奠定了堅實基礎。
 

　　中國科學院上海微系統所為該論文的第一完成單位和通訊單位，馬若巖博士為該論文的第一作者，通訊作者為張孝富與尤立星研究員。該研究受到科技創新2030—“量子通信與量子計算機” 重大項目與國家自然科學基金等項目資助。
 

圖：SSPD器件在不同工作溫度下的效率~工作電流特性曲線
 

圖：無人機載的SSPD系統實測性能