长久以来，光子数分辨PNR探测器领域始终面临着一个难题：如何在实现高光子数分辨能力的同时，兼顾高探测效率、低暗计数、高响应速度等实用化指标？

2025年，中科院上海微系统所SNSPD小组在《ACS Photonics》发表的研究成果——系统探测效率达98%、光子数分辨能力高达32的PNR超导纳米线单光子探测器(PNR SNSPD)，终于打破这一困境，为量子光学研究注入新的活力。

一、PNR 探测器

要理解PNR探测器的重要性，我们先从量子光学的研究需求说起。在量子世界中，光子的行为充满了随机性和不确定性，而许多关键的量子效应，比如光子的聚束与反聚束效应、量子态的叠加与纠缠等，都需要通过精确测量光子数量来验证。以高斯玻色采样（GBS）为例，作为实现量子计算优势的重要途径之一，它需要精确统计输出光子的数量分布，以此来体现量子计算相较于经典计算的速度优势。

然而，打造一款高性能的PNR探测器并非易事。理想的PNR探测器需要满足多个严苛条件：

1.高探测效率：尽可能捕捉到每一个入射光子，减少光子损失；

2.高光子数分辨能力：准确区分不同数量的入射光子；

3.低暗计数：在没有光子入射时，尽量减少虚假计数，避免干扰实验结果；

4.快响应速度：快速捕捉光子的到达时间和数量信息；

5.低时间抖动：减少光子到达时间的测量误差，提高时间分辨能力。

此前，实验室或者市面上的PNR探测器或多或少存在短板。比如超导过渡边缘传感器（TES），虽然具备一定的光子数分辨能力，但计数率通常低于1 MHz、时间抖动在纳秒级别，还需要100 mK的超低温环境，难以满足实际实验需求；传统的SNSPD虽然探测效率高、暗计数低，但通常只能区分 "有光子" 和 "无光子"，无法实现多光子数分辨。虽然通过时间、空间复用等手段可以实现一定的光子数分辨能力，但光子数分辨数目往往小于10个。这些局限性，让 PNR 探测器的应用范围受到极大限制，也制约了量子光学实验向更高精度、更复杂场景的推进。

二、突破瓶颈

面对PNR探测器领域的痛点，中科院上海微系统所SNSPD小组基于2020年开发的高探测效率SNSPD，经过近5年时间的研发，通过创新的器件结构设计和优化的性能指标，完美平衡了高探测效率、高光子数分辨能力的实用化需求。

1. 三明治双层纳米线结构：近100%探测效率的秘诀

探测效率是PNR探测器的核心指标之一，直接影响实验数据的准确性和可靠性。为了实现高探测效率，项目团队采用了NbN/SiO₂/NbN 三明治双层超导纳米线结构，并将其置于分布式布拉格反射镜（DBR）之上。

这种双层纳米线结构能显著增强对光子的吸收能力。传统的单层纳米线结构在吸收光子时，部分光子可能会穿过纳米线而无法被捕捉，导致探测效率损失。而双层纳米线结构就像给光子设置了 "双重关卡"，大大提高了光子的吸收概率。同时，DBR的存在进一步增强了光的反射和吸收，让入射光子在探测器内部有更多机会被纳米线捕捉。

经过实验测试PNR SNSPD在1550 nm通信波长下，单光子系统探测效率（SDE）高达98%，且暗计数率仅为20 cps。这意味着，在实验中，每100 个入射光子中，有98 个能被探测器准确捕捉，极大减少了光子损失对实验结果的影响。

图 1 探测器结构与效率性能图：（a）探测器结构示意图；（b）探测效率和暗计数曲线图

2. 空间复用与分流电阻设计：32 光子分辨的核心

光子数分辨能力是PNR探测器的 "灵魂"。为了突破传统SNSPD光子数分辨能力有限的瓶颈，项目团队采用了空间复用技术，并为每个像素配备了分流电阻。将探测器的感光区域（约20 μm×20 μm）划分为32个像素，这些像素通过串联方式连接，每个像素都并联一个40 Ω的分流电阻。当入射光子触发某些像素时，像素中形成的热点电阻会超过分流电阻的阻值，此时偏置电流会通过分流电阻产生输出信号。由于不同像素的分流电阻阻值相近，输出信号的幅度与入射光子的数量呈现出良好的线性关系 —— 入射光子数量越多，触发的像素越多，输出信号的幅度就越大。

通过这种设计，探测器能够准确区分1到32个入射光子。实验中，当入射光子的平均数量为5时，示波器上能清晰观察到8个分离的高斯峰，分别对应1到8个光子；通过扫描光强，最多可观察到32个高斯峰，证明了探测器卓越的光子数分辨能力。

图2（c）器件分辨 1-32 个光子事件波形图。（d）1-8 个光子输出幅度统计分布图。（e）不同光子数本征预报概率，对于 1-6 个光子，准确分辨的概率超过 99%。

3. 读出电路优化

除了探测效率和光子数分辨能力，时间抖动和计数率也是影响PNR探测器实用化的重要因素。时间抖动过大会导致光子到达时间的测量误差，影响时间相关实验的精度；计数率过低则无法满足高吞吐量实验的需求。

为了降低时间抖动，项目团队优化了探测器的读出电路，采用低温放大器和室温二级放大器相结合的方式，有效提高了响应信号的信噪比。实验结果显示，探测器在不同光子数下均表现出优异的时间抖动性能：1个光子时为382 ps，2个光子时为234 ps，32个光子时更是低至40.4 ps。在计数率方面，探测器同样表现出色。当探测效率下降3 dB时，计数率仍能达到41 MHz，满足绝大多数量子光学实验的高计数率需求。

4. 探测器层析成像：高保真度的验证

为了全面评估探测器的性能，项目团队还进行了探测器层析成像实验，通过重构正算符值测量（POVM）元素，分析探测器对不同光子数事件的探测保真度。将平均光子数μ从0.1调整到5，覆盖了大多数实验场景下的光子数范围，记录不同μ值下的脉冲幅度计数，构建输入矩阵I和输出矩阵O，再重构出保真度矩阵P。

结果显示，探测器在多光子事件探测中表现出高保真度：单光子探测保真度为97.5%，双光子为87.4%，三光子为73.4%，四光子为40.5%，证明了探测器在准确重构入射光子数状态方面的卓越能力。

为了进一步验证保真度矩阵的准确性，项目团队利用重构的保真度矩阵进行量子态重构，将重构的输入分布与预期输入分布进行对比。通过计算 Hellinger 距离（一种衡量概率分布相似性的指标）发现，当μ<1.5时，H值通常小于 0.1，表明重构结果与实际输入高度吻合，进一步证实了探测器的高保真度。

三、实用化的意义

PNR SNSPD实现实用化，不仅是探测器技术领域的一次突破，更将为量子光学实验带来一系列深远影响，推动多个量子领域的发展。

1. 高斯玻色采样：量子计算优势验证的强力支撑

高斯玻色采样作为实现量子计算优势的重要方向，其核心是通过统计输出光子的数量分布来体现量子计算的速度优势。此前，由于PNR探测器性能的限制，GBS实验往往难以准确获取大量光子的数量信息，影响量子计算优势的验证效果。

具备32光子分辨能力和98%的高探测效率的PNR SNSPD，能准确捕捉GBS实验中输出光子的数量分布，为GBS实验提供更精准的数据支持。同时，41 MHz 的高计数率能加快实验数据的采集速度，缩短实验周期，助力科学家更高效地验证量子计算优势。

2. 量子通信：提升密钥分发的安全性与效率

在量子密钥分发（QKD）中，窃听者可能通过截获和重发光子来获取密钥信息。PNR探测器能通过精准分辨光子数量，有效区分合法信号（通常为单光子）和窃听者的干扰信号（可能包含多光子），从而提高QKD的安全性。

PNR SNSPD不仅能准确分辨单光子和多光子，还具备低暗计数率和高探测效率的优势。低暗计数率减少了虚假信号对密钥生成的干扰，高探测效率则提高了密钥生成的速率，为量子通信的实用化推广提供了关键支撑。

3. 量子计量：高精度测量的新工具

量子计量利用量子效应实现超越经典极限的测量精度，在原子钟、引力波探测等领域具有重要应用。在量子计量实验中，往往需要精确测量光子的数量和到达时间，对探测器的性能提出了极高要求。

PNR SNSPD兼具高光子数分辨能力、低时间抖动和高探测效率，能满足量子计量实验对光子测量精度的严苛需求。比如在原子钟实验中，它可以准确测量光子的到达时间，提高原子钟的精度；在引力波探测中，它能捕捉到引力波引起的光子数量变化，助力科学家更精准地探测引力波。

4. 基础量子光学研究：探索量子世界的新视角

除了上述应用领域，PNR SNSPD还将为基础量子光学研究提供新的工具，帮助科学家探索更多未知的量子效应。

比如在多光子纠缠实验中，此前由于探测器光子数分辨能力的限制，科学家难以准确观察多光子纠缠的细节。能分辨32个光子的PNR SNSPD，为研究多光子纠缠提供了更精准的观测手段，有望推动多光子纠缠理论的发展。

在光子聚束和反聚束效应的研究中，高探测效率和低暗计数率能让实验数据更准确，帮助科学家更深入地理解光子的统计特性，为量子光学理论的完善提供实验支撑。

四、未来展望

虽然PNR SNSPD已经实现了实用化，但在性能优化和应用拓展方面，仍有巨大的潜力等待挖掘。

1. 进一步提升光子数分辨能力

目前，探测器能分辨32个光子，但通过以下方法，有望将这一指标进一步提升：

• 提高纳米线的开关电流：探测器目前采用的纳米线开关电流约为18 μA，通过优化器件衬底、超导材料和纳米线制备工艺，将开关电流提升至25-30 μA，有望将光子数分辨能力提升至50以上；

• 结合时空复用技术：时间复用技术已被证明能实现100以上的光子数分辨，未来可以将空间复用与时间复用相结合，在保持高计数率的同时，进一步提升光子数分辨能力；

• 利用脉冲的多维度信息：除了脉冲幅度，脉冲的上升沿、下降沿等信息也包含了光子数的相关信息。未来，可以通过分析这些多维度信息，进一步提高光子数分辨的准确性和范围。

2. 拓展波长响应范围

目前，探测器主要针对1550 nm通信波长进行优化，但超导纳米线本身具备宽光谱响应特性，未来项目团队可以通过调整纳米线的材料和结构，拓展探测器的波长响应范围，使其在可见光、近红外甚至中红外区域都能保持优异性能。

这将让探测器在更多领域发挥作用，比如在生物医学领域，可用于荧光成像实验中的光子计数；在天文学领域，可用于探测天体发出的红外光子，助力天体物理研究。

3. 集成化与小型化

为了更好地适应量子实验的集成化趋势，未来将优化探测器的封装工艺，降低实验装置的复杂度，推动PNR SNSPD的集成化与小型化，让更多实验室能够便捷地使用高性能的PNR探测器，推动量子光学实验的普及。

五、结语

从理论构想到实验验证，从性能突破到实用化落地，PNR SNSPD经历了无数次的尝试与优化，终于打破了PNR探测器实用化的瓶颈，为量子光学实验提供了一款性能卓越的工具。

在量子科技飞速发展的今天，探测器技术的进步往往能推动整个领域的突破。PNR SNSPD将成为量子光学实验的重要工具，助力科学家在量子计算、量子通信、量子计量等领域取得更多重大成果，推动量子科技走向更广阔的未来。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00508