上海微系統(tǒng)所超導單光子探測器效率研究獲進展

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員尤立星團隊利用無損介質鏡面結合三明治結構超導納米線，實現(xiàn)了NbN材料超導納米線單光子器件(SNSPD)98%的探測效率，再次創(chuàng)造了NbN SNSPD探測效率的新的世界紀錄。
 

　　100%系統(tǒng)探測效率(SDE)是單光子探測器發(fā)展的終目標，在量子基礎理論驗證和量子信息科技中具有應用價值。SNSPD憑借高探測效率、低暗計數(shù)、低時間抖動等性能指標，在量子通信、量子計算、深空光通信、生物熒光成像等領域發(fā)揮重要作用，推動了量子信息技術和其他前沿科學的發(fā)展。
 

　　對SNSPD來說，實現(xiàn)100%效率的關鍵難點在于，需同時實現(xiàn)接近100%的本征探測效率和吸收效率。由于二者之間的糾纏制衡關系，相比于其他低Tc的超導材料(如WSi)，高Tc的NbN材料SNSPD實現(xiàn)高SDE的難度更大。
 

　　2017年，研究人員通過工藝優(yōu)化，報道了基于小型閉合循環(huán)制冷機，2.1 K工作溫度下，NbN-SNSPD系統(tǒng)探測效率(1550 nm工作波長)可超過90%；2019年，研究人員發(fā)明了離子注入等手段，打破了NbN本征探測效率和吸收效率的制衡關系，再次實現(xiàn)了90%探測效率SNSPD器件，為極限效率探測研究奠定基礎。
 

　　近期，經(jīng)過系統(tǒng)分析，研究團隊提出了無損介質鏡面加三明治超導納米線的器件架構，再次打破了NbN SNSPD器件的本征探測響應和光學吸收效率的制衡關系，實現(xiàn)了兩者的同時提升。在0.8 K工作溫度，1590 nm波長實現(xiàn)了98%的系統(tǒng)探測效率，在1530-1630 nm波長范圍內的系統(tǒng)效率超過95%。該類型的探測器還顯示出對多種參數(shù)的魯棒性，例如，在2.1 K溫度下，同一批次制造的45個探測器，SDE大于80%(90%)的產(chǎn)率達73%(36%)，對批量生產(chǎn)及商業(yè)化應用具有實際意義。