科技进展

上海微系统所国际首次实现实用化超导单光子探测器性能突破90%

  

超导纳米线单光子探测器(SNSPDSuperconducting nanowire single-photon detector)是本世纪初出现的一种新型的单光子探测技术,其探测效率、暗计数、时间抖动等性能指标明显优于传统的半导体单光子探测器,受到了国内外学术界的广泛关注,并已经广泛的应用于量子通信、量子计算等领域,并有力推动了量子信息技术的发展。

在光纤通信1550纳米工作波长,美国国家标准与技术研究所 Marsili等人采用极低温超导材料WSi制备的SNSPD,实现了最高探测效率达93%。然而,WSi-SNSPD通常工作在1 K以下工作温度,必须采用昂贵复杂的深低温制冷机(比如稀释制冷机等),这极大限制了这类高性能单光子探测器的应用。

国内外众多研究人员在努力研究采用更高超导转变温度的NbN材料的SNSPD,以期在2K以上工作温度实现高探测效率,采用小型化用户友好的闭合循环制冷机就可以工作,可以大大降低使用成本。经过十多年的努力,NbN-SNSPD探测效率最高只达到80%左右,和WSi-SNSPD探测效率有明显差距。要想达到90%以上的探测效率,需要同时对多个不同的参数(光耦合效率、光吸收效率、本征探测效率等)进行优化,到目前为止尚未有成功报道。

中科院上海微系统所(中科院超导电子学卓越创新中心)的尤立星研究员团队开展超导单光子探测研究近10年,在探测器研制和应用方面取得了多项国际领先成果,受到了国内外广泛关注。和中科大潘建伟院士团队合作,曾多次创造量子信息领域的实验的世界纪录,并保持了目前光纤量子通信404公里世界纪录。

该团队的最新成果揭示:基于小型闭合循环制冷机,2.1K工作温度下,NbN-SNSPD系统探测效率(1550 nm工作波长)可以超过90%。随着温度降低到1.8K,探测效率可以进一步提升到92%SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 2017年第12期以封面文章报道了这一发现 http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/60/12/10.1007/s11433-017-9113-4?slug=full text )。日本情报通信研究机构SNSPD研究著名学者Shigehito Miki在杂志同期以“Quest towards ultimate performance in superconducting nanowire single photon detectors”为题进行了评述。论文第一作者为张伟君助理研究员,论文通信作者为尤立星研究员。

论文发表后收到了科技届广泛关注。www.eurekalert.orgPhys.org www.photonics.com等众多国外科技媒体以“Practical superconducting nanowire single photon detector with record detection efficiency over 90 percent”“Researchers develop practical superconducting nanowire single photon detector with record detection efficiency”等标题报道或转载该成果。中国科学院官方英文网站也转载了相关报道(http://english.cas.ac.cn/newsroom/research_news/201711/t20171114_186067.shtml )。

本文工作获得了国家重点研发计划项目高性能单光子探测技术2017YFA0304000)、中科院B类战略先导专项超导电子器件应用基础研究、自然科学基金以及上海市科委等项目资助。