從 4% 到 90%，我國超導(dǎo)單光子探測(cè)器突飛猛進(jìn)

與非網(wǎng) 9 月 11 日訊，單光子探測(cè)器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測(cè)到光的最小能量量子——光子。單光子探測(cè)器可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行探測(cè)和計(jì)數(shù)，在許多可獲得的信號(hào)強(qiáng)度僅為幾個(gè)光子能量級(jí)的新興應(yīng)用中，單光子探測(cè)器可以一展身手。

作為國際戰(zhàn)略新興技術(shù)，量子信息領(lǐng)域面臨著激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)，其核心元器件技術(shù)受到國際禁運(yùn)的影響。高性能單光子探測(cè)器是量子調(diào)控中不可或缺的關(guān)鍵核心部件，也曾在國際禁運(yùn)之列。

光子是光的最小單元，一個(gè) 10 瓦的燈泡 1 秒鐘可以發(fā)出約 1020 個(gè)光子。”中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱上海微系統(tǒng)所）研究員尤立星博士向記者介紹，單光子探測(cè)技術(shù)就是探測(cè)一個(gè)光子的技術(shù)，代表光信號(hào)探測(cè)能力的極限。

單光子探測(cè)器對(duì)量子信息領(lǐng)域到底有多重要？

打個(gè)比方：假設(shè)一顆水滴是水的最小單元，通常情況下水龍頭打開水嘩嘩嘩流出來，而量子調(diào)控就像用水龍頭控制每一顆水滴滴下來，單光子探測(cè)器相當(dāng)于探測(cè)到滴下來的每一顆水滴?！拔覀兙鸵烟綔y(cè)到的單個(gè)光子轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，當(dāng)前的探測(cè)水平是，如果發(fā)射 100 個(gè)光子，我們可以探測(cè)到 90 個(gè)?！?/p>

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單光子探測(cè)器的研發(fā)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從材料生產(chǎn)、加工到系統(tǒng)集成必須從零開始探索。

在還沒有自主掌握低溫超導(dǎo)單光子探測(cè)器（SNSPD）核心技術(shù)之前，我國進(jìn)行量子通信試驗(yàn)所使用的單光子探測(cè)器，效率只有 20%，且噪聲極大，與國際最高水平相差甚遠(yuǎn)。缺乏高性能單光子探測(cè)器已經(jīng)嚴(yán)重影響到我國量子信息領(lǐng)域科學(xué)家與國外同行的競(jìng)爭(zhēng)。

我國 SNSPD 從無到有，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)自主可控的同時(shí)，國際上單光子探測(cè)器技術(shù)水平也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。我國量子信息領(lǐng)域的快速發(fā)展也對(duì) SNSPD 探測(cè)效率提出了更高需求。

尤立星介紹，2013 年，美國采用硅化鎢（WSi）材料研發(fā)的 SNSPD 探測(cè)效率最高可達(dá) 93%，而我國當(dāng)時(shí)采用氮化鈮（NbN）材料制備的 SNSPD 探測(cè)效率只有 4%。

“WSi 材料制備的器件需要比 NbN 更低的工作溫度，因此低溫制冷裝備的成本也要成倍地增加?！庇攘⑿菆F(tuán)隊(duì)堅(jiān)持在利用 NbN 材料開展 SNSPD 研發(fā)的方向上繼續(xù)前進(jìn)。

經(jīng)過 4 年左右的鉆研，2016 年，團(tuán)隊(duì)終于在國際上率先實(shí)現(xiàn) NbN SNSPD 器件在光纖通信 1550 納米波長(zhǎng)的探測(cè)效率超過 90%，并持續(xù)保持 NbN SNSPD 器件效率世界紀(jì)錄。

“新方法極大降低了殺死正常細(xì)胞的概率，專殺‘癌細(xì)胞’，是一種靶向治療?！庇攘⑿沁@樣比喻。據(jù)悉，采用該方法的超低暗計(jì)數(shù) SNSPD 系統(tǒng)探測(cè)效率可以在暗計(jì)數(shù) 1 赫茲條件下達(dá)到 80%，居國際領(lǐng)先水平。目前該技術(shù)已獲得了中、美、日三國專利授權(quán)。

SNSPD 在效率等性能上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)能夠推動(dòng)其在量子通信、光量子計(jì)算、激光雷達(dá)、深空通信等多個(gè)領(lǐng)域拓展應(yīng)用。在中科院新時(shí)期“面向國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)”的辦院方針以及國家“雙創(chuàng)”政策鼓勵(lì)下，上海微系統(tǒng)所孵化成立了小型高科技公司，開展 SNSPD 技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作。尤立星表示，目的是要解決國家的應(yīng)用需求，通過市場(chǎng)化方式實(shí)現(xiàn)高科技的自我生存和技術(shù)迭代，在科研與產(chǎn)業(yè)之間搭建一座橋梁。

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