耶鲁大学研制单片集成的百光子数探测器

封面图：片上百光子数探测器示意图

来源：耶鲁大学唐红星课题组

量子光学是现代光学发展的重要分支。由于光量子态包含的光子数往往很少，因此量子光学实验离不开单光子探测器。在1550nm波长附近的通信波段，由于其卓越的性能，超导纳米线单光子探测器（SNSPD，superconducting nanowire single-photon detector）在近几年逐渐成为最广泛使用的单光子探测技术之一。

超导纳米线探测器至今已发展二十多年，很多技术指标已经得到了大幅优化。但如多数单光子探测器，超导纳米线探测器不具备光子数分辨能力，即它们的输出只有0（没有光子）和1（有光子）两种状态。当一个或多个光子入射到探测器上时，探测器的输出电压就会饱和，无法分辨具体的入射光子数。然而，很多常见的光量子态（例如压缩态，相干态等）均包含多个光子。因此，发展具备大规模光子数分辨能力的高性能探测器是量子光学领域的重要课题之一。

相变边缘探测器（TES，transition edge sensors）和微波动态电感探测器（MKID，microwave kinetic inductance detectors）是常见的两种光子数可分辨探测器。然而，这些探测器的光子计数率很低，时间抖动大，而且需要在极低温（～100mK）环境下工作。

相比之下，超导纳米线探测器可以实现GHz级别的超高计数率，接近100%的高探测效率，皮秒级别的超低时间抖动，以及可以在相对较高温（2-4K）的环境下工作。这些优势使得超导纳米线探测器对于量子通信、光量子计算等实际应用具有很大的吸引力。如果能利用超导纳米线实现光子数可分辨探测器，将很大程度上促进量子光学实验的发展，提升量子光学应用的技术指标。

目前常见的提升超导纳米线探测器的光子数分辨率的方法是采用时间复用或者空间复用技术。时间复用技术需要用到光纤作为延迟线将入射光束在时域上分成多份，因此集成度和可扩展性不高。空间复用技术则是将多个不同空间位置的超导纳米线串联或并联起来，然而该方案的光子数分辨率受限于读出电信号的信噪比，因此目前最多只集成了24个纳米线，最高光子数分辨率也限制在24。

值得一提的是，目前已有工作报道了将1024个超导纳米线集成的二维单光子探测器阵列。然而为了获得空间分辨率，该方案要求每次读出时至多只有少数几个纳米线被光子激发，不能直接用于探测多光子态，因此不在本文讨论范围内。

近日，耶鲁大学唐红星教授课题组利用独特的时空复用方案，实现了100像素的百光子数可分辨探测器，并将该芯片用于光子数统计分布的测量。

该团队在4mm×1mm的微小硅光芯片上集成了100个超导纳米线阵列，每个纳米线之间用延时高达1ns的微波延迟线相连，因此即使很多个纳米线同时被光子激发，读出电路依然可以用时间复用的方法分辨被激发纳米线的数量和位置，从而实现了最高达100的光子数分辨率。

该成果发表在Nature Photonics，标题为“A 100-pixel photon-number-resolving detector unveiling photon statistics”。耶鲁大学的成日盛博士和周宜雨博士为论文的共同第一作者。

时空复用及其优势

该团队采用的时空复用方案的基本原理如图1所示。该团队利用氮化硅（SiN）薄膜作为光波导材料，在一根光波导上集成了100个氮化铌（NbN）超导纳米线探测器阵列。每一个纳米线都并联了一个由片上电阻和电感组成的低通滤波器作为每一路探测器独立的重置环路，并和输出电路和信号分开。这100个纳米线之间则用延时1ns的微波延迟线串联起来，因此读出电路可以根据探测器产生的微波脉冲到达的时间来确定被激发的纳米线的位置。

图1：时空复用原理示意图

图源：Nature Photonics

百光子数探测器的实物图如图2所示。入射光通过光栅耦合器耦合到光波导中，然后被100个纳米线所吸收和探测。

图2：片上探测器实物图

图源：Nature Photonics

通过示波器进行多次测量累积得到的眼图如图3所示。图中可以看出和100个纳米线探测器相对应的100个分立的电脉冲，通过测量电脉冲的个数和到达时间，可以分辨对应的被激发纳米线的数量和位置，从而获得光子计数。

图3：示波器眼图

图源：Nature Photonics

热光场光子数统计分布测量

热光场是常见的一种光量子态。由于传统单光子探测器不具备光子数分辨率，因此在量子光学实验中，往往采用旋转的毛玻璃来产生相干时间远大于探测器恢复时间的赝热光场，从而牺牲探测器的时间分辨率来间接获得光子数分辨率。

相比之下，非人造的真热光场，例如太阳光或者放大器自发辐射等，往往具有极短的相干时间，因此需要同时具备高时间分辨率和光子数分辨率的探测器才能进行测量。

该团队利用掺铒光纤放大器（EDFA，erbium-doped fiber amplifier）的自发辐射作为真正的热光源，先经过光频滤波器滤波，然后再采用电光调制器来将连续光调制成脉冲宽度可调的脉冲光，最后用百光子数探测器进行探测。通过调节脉冲宽度，可以实现从单模热光场到多模热光场的转变，相对应的光子统计分布也会从玻色-爱因斯坦分布转变成泊松分布，实验的测量结果如图4所示。

图4：真热光源的光子数统计分布。通过调节脉冲宽度，光量子态从单模热光场（对应玻色-爱因斯坦分布）转变成多模热光场（对应泊松分布）。

图源：Nature Photonics

高阶关联函数g^(N)的直接测量

由于该探测器不仅可以获得光子数信息，还可以测量对应被激发的纳米线的位置信息，因此可以将100个纳米线任意地分成N组，从而直接测量高阶关联函数g^(N)。

该团队针对激光器产生的相干光，和EDFA产生的单模/多模热光场进行了测量，测量结果如图5所示。受限于示波器的数据读取速率，本实验中最高只测量到了g⁽¹⁵⁾。如果采用专用的超高速脉冲计数器实现更快的数据采集，进而缩短测量时间，显著提升信噪比，则用该探测器理论上可以实现g⁽¹⁰⁰⁾的测量。

限于篇幅原因，原文中的光子减法以及光子态的量子测量实验在此略过，读者可以查询原文获取更多信息。

图5：高阶关联函数g^(N)的实验测量结果。其中相干光由激光器直接产生，单模和多模热光场由EDFA产生。

图源：Nature Photonics

总结与展望

通过采用具有更高介电常数的材料（例如SrTiO₃）作为微波延迟线的介质，可以使得用更短的延迟线实现更长的微波延时，进而有可能在差不多的芯片面积将1000个纳米线以及延迟线串联起来，在片上实现千光子数探测器。

另外由于该探测器已和光波导实现了集成，可以对光波导内的光子进行探测，因此有望进一步和片上量子光源以及量子光路集成在一起，从而大幅降低芯片和光纤之间的耦合损耗，并可以减小芯片尺寸，实现高度的系统集成化。

该工作有望大幅促进量子光学实验的进展，并且能在玻色采样等量子模拟、光量子计算，量子通信和量子精密测量等实验中直接找到应用。

  论文信息  

Cheng, R., Zhou, Y., Wang, S. et al. A 100-pixel photon-number-resolving detector unveiling photon statistics. Nat. Photon. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41566-022-01119-3