微米和纳米科技材料

我国实用化超导单光子探测器取得重要突破

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是本世纪初出现的一种新型的单光子探测技术,其探测效率、暗计数、时长抖动等性能指标明显优于传统的半导体单光子探测器,受到国内外学术界的广泛关注,并已经广泛应用于量子通信、量子计算等领域,并有力推动了量子信息技术的发展。

在光纤通信1550纳米工作波长,美国国家标准与技术研究所Marsili等人采用极低温超导材料WSi制备的SNSPD,实现了最高探测效率达93%。然而,WSi-SNSPD通常工作在1K以下工作温度,必须采用昂贵复杂的深低温制冷机(比如稀释制冷机等),这极大限制了这类高性能单光子探测器的应用。

国内外众多研究人员在努力采用更高超导转变温度的NbN材料研制SNSPD,以期在2K以上工作温度实现高探测效率,采用小型化用户友好的闭合循环制冷机就可以工作,从而大大降低使用成本。经过10多年的努力,NbN-SNSPD探测效率最高只达到80%左右,和WSi-SNSPD探测效率有明显差距。要想达到90%以上的探测效率,需要同时对多个不同的参数,如光耦合效率、光吸收效率、本征探测效率等进行优化,到目前为止尚未有成功报道。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所(中科院超导电子学卓越创新中心)研究员尤立星团队开展超导单光子探测研究近10年,在探测器研制和应用方面取得了多项国际领先成果,受到了国内外广泛关注。与中国科学技术大学潘建伟团队合作,曾多次创造量子信息领域实验的世界纪录,并保持了目前光纤量子通信404千米世界纪录。

该团队的最新成果揭示,基于小型闭合循环制冷机,2.1K工作温度下,NbN-SNSPD系统探测效率(1550nm工作波长)可以超过90%。随着温度降低到1.8K,探测效率可以进一步提升到92%。

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