近日，中国科学院上海微系统所李浩、尤立星团队，利用三明治结构超导纳米线、多线并行工作的方式实现最大计数率5GHz、光子数分辨率61的超高速、光子数可分辨光量子探测器，相关成果以“Superconducting single photon detector with speed of 5 GHz and photon number resolution of 61”为题于2024年5月31日在线发表在中国科学院一区学术期刊Photonics Research上(https://doi.org/10.1364/PRJ.522714)，并入选编辑推荐(Editor’s Pick)。
图1 器件结构(a)、超导纳米线(b)、器件封装(c)及
制冷系统(d)
高速、光子可数分辨单光子探测技术在月地、火地等深空激光通信，高速量子密钥分发，
光量子计算中具有重要应用前景。传统的单光子探测器，如雪崩光电二极管和光电倍增管，在效率、速度和时间分辨率等方面难以满足当前应用需求；超导转变沿传感器具有较好的光子数分辨能力和较高的探测效率，但具有较低的探测速度和较大的时间抖动，同时需要极低工作温度和复杂的读出制冷系统。近年来超导纳米线单光子探测器(SSPDs)因其高效率、低暗计数率和优异的时间分辨率，在量子通信、光学量子计算和量子力学原理验证等方面广泛应用。尽管传统的单元SSPD具有出色的性能，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到超导到正常态强非线性转变的限制，利用响应波形等信息区分光子数时测量难度较大。多像素SSPD阵列是一种由纳米线并行工作的新型器件架构，与单元SSPD相比，多像素器件由于其纳米线几何形状和光学结构具有高效率和低暗计数，而且可通过并行工作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优异的解决方案。
图2 器件探测效率(a)及探测效率随计数率变化关系(b)
在这项工作中，项目团队研制了高效率、超高速、高光子数分辨率的超导探测器集成系统。为保证探测系统的轻便、可靠性，该项目搭建基于GM 小型制冷机制冷集成系统，支持64路电通道，最低工作温度为2.3 K。探测器芯片在分布式布拉格反射器上集成64条超导纳米线，兼顾提高光子吸收率和探测速度。经表征，纳米线制备良率为61/64，在1550 nm波长下的系统探测效率达90%，最大计数率为5.2 GHz，探测效率下降3dB时计数率为1.7GHz, 光子数分辨率为61。该探测系统代表了光量子探测技术的重大突破，其卓越的性能指标将有望支撑深空激光通信、高速率量子通信以及基础量子光学实验等应用。
图3 光子数统计分布随入射光强的变化关系图
论文第一作者为上海微系统所博士研究生张天柱和高级工程师黄佳，通讯作者为上海微系统所李浩研究员。该研究得到了科技创新2030重大项目 (2023ZD0300100); 上海市扬帆计划(21YF1455500, 21YF1455700, 22YF1456500); 中国科学院青年促进会项目(2020241, 2021230); 上海市量子重大专项 (2019SHZDZX01);国家自然科学基金(12033007,61827823, 61971408)等项目资助。本工作感谢赋同量子科技(浙江)有限公司在器件测量设备方面的帮助以及超导电子实验室工艺平台(SELF)的支持。
