中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所李浩、尤立星團隊，利用三明治結(jié)構(gòu)超導(dǎo)納米線、多線并行工作的方式實現(xiàn)最大計數(shù)率5GHz、光子數(shù)分辨率61的超高速、光子數(shù)可分辨光量子探測器，相關(guān)成果以“Superconducting single photon detector with speed of 5 GHz and photon number resolution of 61”為題于2024年5月31日在線發(fā)表在中國科學(xué)院一區(qū)學(xué)術(shù)期刊Photonics Research期刊上，并入選編輯推薦（Editor’s Pick)。

圖1 器件結(jié)構(gòu)(a)、超導(dǎo)納米線(b)、器件封裝(c)及制冷系統(tǒng)(d)

高速、光子可數(shù)分辨單光子探測技術(shù)在月地、火地等深空激光通信，高速量子密鑰分發(fā)，光量子計算中具有重要應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的單光子探測器，如雪崩光電二極管和光電倍增管，在效率、速度和時間分辨率等方面難以滿足當(dāng)前應(yīng)用需求；超導(dǎo)轉(zhuǎn)變沿傳感器具有較好的光子數(shù)分辨能力和較高的探測效率，但具有較低的探測速度和較大的時間抖動，同時需要極低工作溫度和復(fù)雜的讀出制冷系統(tǒng)。近年來超導(dǎo)納米線單光子探測器（SSPDs）因其高效率、低暗計數(shù)率和優(yōu)異的時間分辨率，在量子通信、光學(xué)量子計算和量子力學(xué)原理驗證等方面廣泛應(yīng)用。

盡管傳統(tǒng)的單元SSPD具有出色的性能，但由于其讀出電路和探測器恢復(fù)時間限制，其探測速率（計數(shù)率）通常僅幾十MHz。此外，單元SSPD的光子數(shù)分辨能力受到超導(dǎo)到正常態(tài)強非線性轉(zhuǎn)變的限制，利用響應(yīng)波形等信息區(qū)分光子數(shù)時測量難度較大。多像素SSPD陣列是一種由納米線并行工作的新型器件架構(gòu)，與單元SSPD相比，多像素器件由于其納米線幾何形狀和光學(xué)結(jié)構(gòu)具有高效率和低暗計數(shù)，而且可通過并行工作增強計數(shù)率和光子數(shù)分辨能力，為高速光子的探測和光子數(shù)分辨提供了優(yōu)異的解決方案。

圖2 器件探測效率(a)及探測效率隨計數(shù)率變化關(guān)系(b)

在這項工作中，項目團隊研制了高效率、超高速、高光子數(shù)分辨率的超導(dǎo)探測器集成系統(tǒng)。為保證探測系統(tǒng)的輕便、可靠性，該項目搭建基于GM 小型制冷機制冷集成系統(tǒng)，支持64路電通道，最低工作溫度為2.3 K。探測器芯片在分布式布拉格反射器上集成64條超導(dǎo)納米線，兼顧提高光子吸收率和探測速度。經(jīng)表征，納米線制備良率為61/64，在1550 nm波長下的系統(tǒng)探測效率達(dá)90%，最大計數(shù)率為5.2 GHz，探測效率下降3dB時計數(shù)率為1.7GHz, 光子數(shù)分辨率為61。該探測系統(tǒng)代表了光量子探測技術(shù)的重大突破，其卓越的性能指標(biāo)將有望支撐深空激光通信、高速率量子通信以及基礎(chǔ)量子光學(xué)實驗等應(yīng)用。

圖3 光子數(shù)統(tǒng)計分布隨入射光強的變化關(guān)系圖

論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士研究生張?zhí)熘透呒?a target="_blank">工程師黃佳，通訊作者為上海微系統(tǒng)所李浩研究員。該研究得到了科技創(chuàng)新2030重大項目、上海市揚帆計劃、中國科學(xué)院青年促進(jìn)會項目、上海市量子重大專項 、國家自然科學(xué)基金等項目資助。本工作感謝賦同量子科技（浙江）有限公司在器件測量設(shè)備方面的幫助以及超導(dǎo)電子實驗室工藝平臺的支持。