亮点 | 高速、光子数可分辨的单光子探测器：计数率5 GHz、光子数分辨率61

Tianzhu Zhang, Jia Huang, Xingyu Zhang, Chaomeng Ding, Huiqin Yu, You Xiao, Chaolin Lv, Xiaoyu Liu, Zhen Wang, Lixing You, Xiaoming Xie, Hao Li, "Superconducting single-photon detector with a speed of 5 GHz and a photon number resolution of 61," Photonics Res. 12, 1328 (2024)

单光子探测器是重要的共性关键技术，在量子信息技术、单光子激光通信/雷达、生物荧光光谱检测等前沿科学领域具有重要的应用前景和研究意义。在过去的十多年中，量子信息技术快速发展，超导纳米线单光子探测器（SSPD）已可实现近100%的探测效率，且同时具备低暗计数率和优异的时间分辨率，在量子通信、光量子计算等领域广泛应用，但由于其读出电路和探测器恢复时间限制，其探测速率（计数率）通常仅几十MHz。此外，单元SSPD的光子数分辨能力受限于从超导态到正常态的强非线性转变，导致利用响应波形等信息区分光子数时测量难度较大。因此，高速率、光子数可分辨成为了当前光量子探测领域的重要技术瓶颈和未来发展方向。多像素SSPD是一种由纳米线并行工作的新型器件架构，具有高效率和低暗计数的优势，且通过并行工作可增强计数率和光子数分辨能力，为高速光子的探测和光子数分辨提供了解决方案。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所李浩研究员、尤立星研究员团队研制了一种“三明治”超导纳米线且多线并行工作的SSPD和基于小型G-M（Gifford-Mcmahon）制冷机的64通道集成系统。该探测系统在1550 nm通信波段，实现了90%的系统探测效率、5.2 GHz的最大计数以及61个光子数的分辨能力。相关研究成果以“Superconducting single-photon detector with a speed of 5 GHz and a photon number resolution of 61”为题发表于Photonics Research2024年第6期。

在纳米线设计方面，该团队采用NbN/SiO₂/NbN“三明治式”超导纳米线结构，解耦器件的光学吸收与光子响应，并与无损介质镜结合以提高器件探测效率。该器件由64根独立纳米线构成，形成覆盖特定光敏区域的复杂网络，与单个拥有相同光敏面大小的传统结构SSPD相比，整个SSPD阵列的动态电感为其1/64，有效减小了器件的恢复时间。同时，得益于多根纳米线的空间分布设计，该器件具备光子数分辨能力。在系统集成方面，该团队基于小型G-M制冷机，开发出工作温度为2.3 K的64通道小型制冷集成系统，并采用4个16通道偏置放大读出模块，搭建出可实时控制、采集以及处理的测试平台。

经测量，超导纳米线工作良率为61/64，探测器在1550 nm波段表现出90%的系统探测效率，最大探测速度可达5.2 GHz，如图2所示。此外，得益于多线并行工作，器件表现出61光子数分辨能力，如图3所示。

该工作通过64根并行纳米线组成的超导探测器，实现了高速、高效以及高光子数分辨率的探测能力，其性能仍可进一步提升。例如，将交流耦合读取替换为低温直流耦合设置可能会使最大计数率超过10 GHz；通过提高纳米线的系统探测效率或增加纳米线的数量，进一步提升光子数分辨率和多光子探测保真度。

该研究的通讯作者李浩研究员表示：“光量子探测在量子信息和微弱光检测领域具有重要应用价值。项目团队在过去十多年深耕高效率光量子探测技术，已经取得了一定研究基础和成果（最大单光子探测效率优于98%）。高速率光量子探测和高保真多光子探测一直是光量子探测领域的难点。该工作充分利用多纳米线并行工作器件架构，在高速探测的同时实现了高达61光子的分辨，可应用于深空激光通信、量子信息处理、量子计量以及其他的量子光学基础实验。”

光量子探测技术在高速探测系统、器件性能提升方面还有很多问题亟待解决，后续团队将继续推进高速探测技术，支撑深空通信等重大应用需求，并持续推进高保真光子数分辨技术研究。目前，项目团队还在同步开发其他新型光子数分辨技术，预计本年度可应用于国内外科研院校等合作机构，支撑我国量子信息技术及微弱光检测应用。