【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(簡稱 “上海微系統(tǒng)所”)李浩、尤立星研究員團隊在量子探測領(lǐng)域取得關(guān)鍵進展。該團隊創(chuàng)新性融合高效率超導(dǎo)單光子探測與片上空間復(fù)用讀出技術(shù)，成功研制出具備 98% 系統(tǒng)探測效率、可分辨 32 個光子的光子數(shù)可分辨單光子探測器，為光量子計算、量子通信等前沿領(lǐng)域的實用化突破提供了核心器件支撐。相關(guān)研究成果以 "Photon-Number-Resolving Single-Photon Detector with a System Detection Efficiency of 98% and Photon-Number Resolution of 32" 為題，于 7 月 4 日在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《ACS Photonics》正式發(fā)表，并被選作附加封面。論文 DOI 鏈接為：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00508。
圖 1 探測器結(jié)構(gòu)與效率性能圖：(a)探測器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)探測效率和暗計數(shù)曲線圖
光子數(shù)可分辨單光子探測器是量子信息領(lǐng)域的 “核心感知器件”，其性能直接決定了量子技術(shù)從理論走向應(yīng)用的上限。長期以來，傳統(tǒng)光子數(shù)可分辨探測技術(shù)始終面臨性能瓶頸：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣傳感器雖能實現(xiàn)一定的光子數(shù)可分辨能力，但存在探測速度慢(通常低于 1MHz)、時間抖動大(約納秒級)、且需超低溫(約 100mK)極端環(huán)境等問題，難以滿足高重復(fù)頻率實驗需求；而半導(dǎo)體單光子探測器則受限于材料帶隙特性，探測效率始終難以突破關(guān)鍵閾值，制約了量子系統(tǒng)的整體性能。
針對這些行業(yè)痛點，上海微系統(tǒng)所團隊提出了顛覆性的技術(shù)方案，通過 “雙結(jié)構(gòu)優(yōu)化” 實現(xiàn)探測效率和光子數(shù)可分辨率的突破，具體包括：一方面，采用 NbN/SiO?/NbN 三明治式超導(dǎo)納米線結(jié)構(gòu)，并將其集成在中心反射帶為 1550nm 的分布式布拉格反射器(DBR)上。這種設(shè)計不僅大幅提升了納米線對光子的吸收效率，還顯著增強了光子響應(yīng)的信噪比，為接近 100% 的探測效率和高效信號讀出奠定了硬件基礎(chǔ)；另一方面，團隊通過“分段設(shè)計 + 分流電阻” 構(gòu)建片上空間復(fù)用讀出系統(tǒng)，將 32 個納米線像素串聯(lián)，每個像素均并聯(lián) 40Ω 電阻，使探測器輸出的脈沖幅度與入射光子數(shù)形成精準(zhǔn)的線性映射關(guān)系，從原理上突破了傳統(tǒng)器件探測效率和光子數(shù)可分辨能力有限的技術(shù)障礙。
圖2(c)器件分辨 1-32 個光子事件波形圖。(d)1-8 個光子輸出幅度統(tǒng)計分布圖。
(e)不同光子數(shù)本征預(yù)報概率，對于 1-6 個光子，準(zhǔn)確分辨的概率超過 99%。
實驗測試數(shù)據(jù)顯示，該探測器的綜合性能達到國際領(lǐng)先水平：單光子系統(tǒng)探測效率最高達 98.6%，逼近理論極限；光子數(shù)可分辨能力覆蓋 1-32 個光子，遠超傳統(tǒng)超導(dǎo)納米線探測器(通常不超過 10 個光子)的分辨上限；同時，對2光子、3光子、4光子事件的探測保真度分別達到 87.4%、73.4% 和 40.5%，為高保真度多光子態(tài)探測提供了可靠的技術(shù)方案，可有效支撐復(fù)雜量子態(tài)的精準(zhǔn)測量。該成果不僅為量子信息科學(xué)的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供關(guān)鍵器件保障，更向全球量子探測領(lǐng)域貢獻了兼具創(chuàng)新性與實用性的 “中國方案”。
上海微系統(tǒng)所為該研究的第一完成單位與通訊單位，博士生丁超夢、已出站博士后張興雨為論文共同第一作者，李浩研究員為通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金(項目編號：U24A20320、62401554)、科技創(chuàng)新 2030—“量子通信與量子計算機” 重大項目(項目編號：2023ZD0300100)、上海市量子重大專項(項目編號：2019SHZDZX01)等項目的聯(lián)合資助。
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