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超高速超导单光子探测器成果简介
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《光子学研究》(Photonics Research)上,并入选编辑推荐(Editor's Pick)。
来源:Photonics Research
高速、光子可数分辨的单光子探测技术在深空激光通信(月地、火地等)、高速量子密钥分发、光量子计算等领域具有重要应用前景。然而,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(SNSPD或SSPD)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)通常仅有几十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。
(a)器件结构,(b)超导纳米线,(c)器件封装,(d)制冷系统
(a)器件探测效率随偏置电流的变化关系,(b)探测效率随探测速率的变化关系
光子数统计分布随入射光强的变化关系
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3 dB时计数率为1.7 GHz,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。
对话超高速SSPD背后的男人
对于此次的研究成果,读者朋友们也许有很多好奇和关心,光子盒有幸邀请到这项研究成果的主要参与者进行一番对话,让我们一起来了解一下吧!
李浩,中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员、博导,博士毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所。
吕超林,赋同量子(浙江)科技有限公司首席技术官,博士毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所。
Q1:近些年,团队在SSPD领域成果频出,这些成果之间是怎样的关系?
A:我们这个课题组在过去十多年里最核心的一个工作就是单光子探测器探测效率的提升,目前我们已经把探测效率(探测器的核心性能指标)做到了98%这样一个国际最优水平,器件已经大量应用在量子信息技术(例如“九章”光量子计算、远距离量子通信等)。后面还会持续地往上做,提升效率同时提高制备良率等。
Q2:这次成果最大的亮点是什么?
A:本次工作主要在探测器速度,高速探测这块做了一个主要的进步。在保证高探测效率的同时,大大提升了另外一个性能指标——探测速率。在一些特定的应用场景,如横跨几千万公里的深空光通信,需要同时实现高效和高速探测。十年前,NASA率先实现月地激光通信LLCD实验,地面接收机通过利用多像素的高速SSPD实现高达622 Mbps的下行速率。我国目前在该应用领域研究起步较晚。这次成果,我们针对高速探测应用需求进行了芯片、电路和制冷机的高度集成,将探测系统提升到64通道,实现了最大5 GHz的超高速探测。我们未来可以做到百通道,并且可以直接切换到多通道单元器件的集成系统,支撑研究工作对多路探测器的应用需求。
Q3:您反复提到“通道”,请您进一步介绍通道数变多,对系统整体的性能以及它作为支撑其他工程项目来说意味着什么?
A:一方面,通道越多,SSPD速率就可以做到更高,因为速率和通道数基本上呈线性关系。另一方面,SSPD系统的成本之一是制冷成本,在同一个制冷机里集成更多通道的SSPD器件,可以有效降低SSPD系统的成本。
Q4:SSPD的优势您都介绍到了,那系统是否存在一些劣势?
A:除SSPD外,还有很多其他光子探测器(比如光电倍增管、雪崩光电二极管、基于量子点的单光子探测器、可见光子计数器、基于频率转换技术的单光子探测器)。首先,相对其他探测器,超导探测器性能具有绝对优势,不足的地方,一是需要制冷机、系统复杂度相对更高。二是,应用市场有限,目前主要应用于量子信息技术、微弱光的检测。
Q5:与国际同行相比,咱们团队大概是怎样的情况?
A:我们目前在器件的探测效率、探测速率、暗计数率等技术指标方面可以做到国际领先水平。在探测系统集成度和易用性方面,大家各有优劣。在应用方面,也各有千秋,比如量子信息,我国相对比较领先,而深空激光通信,我们仍需要追赶。
Q6:下一步研究计划是什么?
A:随着探测器性能尤其是单光子探测效率接近100%探测极限,我们将进入到新的研究阶段——光子数分辨探测。传统探测器无法有效分辨光脉冲中的光子数目,而我们本次研究结果不仅能探测,还将光子分辨数目提升至61,这是一个很高的水平。还有一个重要方向就是通过更少的通道,比如单个通道便可以实现20甚至30个以上的光子数分辨。目前我们也已经取得一些重要突破,希望近期就可以推向应用。
Q7:从实验室到科技成果转化,赋同的产品推出大概是怎样的一个节奏或模式?
A:一般需要花一年左右时间,通常是我们从市场上收集多方需求,然后针对性地提出多种方案进行同时尝试,最后根据测试结果将方案定型和产品化。
Q8:赋同量子接下来会有哪些可以让我们期待的成果吗?
A:我们将实现高保真度光子数分辨器件的产业化,单通道器件最高可支持20甚至30个以上的光子数分辨,来满足光量子计算、量子随机行走、量子基本原理验证等应用领域的需求。
知识补充:美国深空光通信项目简介
微器件实验室(Microdevices Laboratory, MDL)是喷气推进实验室(JPL)的一部分,专注于微型和纳米器件的研究和开发。MDL致力于支持JPL和NASA的科学任务,通过开发关键的微器件技术,使得各种仪器和任务成为可能。
SNSPD是从紫外到中红外范围内综合性能最优的单光子探测器,因此成为美国国家航空航天局(NASA)和喷气推进实验室(JPL)深空光通信(Deep Space Optical Communications,DSOC)项目的重要支撑研发项目。自2005年以来,MDL在这一独特技术的开发方面一直处于世界领先地位,并且在探测效率、时间分辨率、有效面积和暗计数方面保持着世界纪录。
2013年,NASA成功实现38万公里的月地激光通信演示实验(Lunar Laser Communications Demonstration,LLCD),多像素SNSPD被部署在地面终端,实现622 Mbps的下行传输速率。随后,开始部署DSOC项目,将在多种距离上演示激光通信链路的可行性,最远可达2.7天文单位(AU),将激光通信的演示距离从LLCD的水平扩展1000倍。为了接收从小行星传来的微弱信号,MDL开发了一种独特的64像素SNSPD阵列传感器,能够以百皮秒的准确度标记单个光子的到达时间,探测速率超过每秒十亿次。2023年12月,DSOC项目的“灵神号”探测器将一段时长15秒的超高清视频从距地球约3100万公里的深空发送回地球,这一距离是地球与月亮之间距离的大约80倍。视频传至地面用时101秒,最大传输速率为每秒267Mbps。
美国航天局希望,借助激光通信,从深空传输数据的速度能比目前使用的最先进无线电通信技术快10至100倍,以便满足未来人类登上火星后传输复杂信息以及高清图像和视频的需要。
参考链接
[1]https://microdevices.jpl.nasa.gov/news/superconducting-nanowire-single-photon-detectors-for-dsoc/
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/2pwpiJf4NBC_-lYQHYSMhw
[3]https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-12-6-1328&id=551302