对于光来说，光能量的最小单位是一个光子，这是由量子理论确定的不可再分的量子极限。因此，光探测能力的极限是实现单个光子探测。单光子探测技术作为极限灵敏度光信号测量技术，在量子信息技术、物理、化学、生物、环境和天文等领域具有不可替代的作用，并在其中部分领域已成为不可或缺的核心关键技术之一。
量子通信等应用需求驱动了单光子探测技术的发展
基于半导体技术的单光子探测器(SPD)，例如：基于硅材料的雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)等，已经有几十年的历史，发展得比较成熟，获得了较为广泛的应用。但是多数SPD只能工作在可见光区域，基于Si的APD和PMT由于材料禁带宽度的制约无法实现近红外波段单光子的有效探测。为此又发展了基于窄禁带半导体材料InGaAs/InP的SPD，其典型探测效率在1550 nm可达到20%，饱和计数率一般不超过10 MHz，但其整体性能和可见光波段SPD相差甚远。
本世纪以来，量子通信、光量子计算/模拟等学科飞速发展，对SPD的性能提出了极高的要求。传统的半导体SPD探测效率等多项性能指标都无法满足光(量子)信息技术实验乃至产业化的需求。在此背景下，超导纳米线单光子探测器(SNSPD)应运而生。2001年，莫斯科师范大学Gol'tsman教授小组首先成功实现了近红外波段的单光子探测，开启了SNSPD研究的先河。
封装好的超导纳米线单光子探测芯片
SNSPD核心是利用超薄超导材料制备的纳米线，探测基本原理是利用超导纳米线吸收光子后的非平衡态“Hot spot”效应。我们给处于超导态的纳米线施加一个偏置电流，该偏置电流(Ib)略小于其临界电流(IC)。由于光子的典型能量为~1eV，而典型SNSPD材料的能隙电压在~meV量级。因此，当一个光子打到纳米线上，会破坏超导特性，在纳米线局部产生一块非超导的热点(hotspot)区域，这个热点的尺寸取决于材料和光子的能量，典型值在10 nm左右。
热点的存在使得该区域周围的电流密度超过其超导临界电流密度，从而产生横跨整个超导纳米线的有阻区，典型尺度在几十纳米。有阻区的能量能够快速的通过衬底弛豫掉，进而恢复超导态。这个有阻区产生到消失的过程会导致纳米线两端出现一个电压脉冲，通过对电压脉冲的监测，就可以实现单光子探测。
SNSPD纳米线电镜照片
由此可见，SNSPD实现单光子探测的过程可以分为两段，首先是纳米线吸收光子产生热点的过程；这个过程目前尚没有完备的理论解释，只有从能量吸收观点来做定性的描述。其次是热点产生后有阻区产生到消失的过程，该过程可以利用热点扩散弛豫模型和电路模型进行很好的描述，并且理论模型和实验结果能够取得很好的一致性。
从零开始的研究最终获得了同行专家的高度评价
十多年来，SNSPD的性能得到了巨大提升，其核心性能指标：探测效率、暗计数、时间抖动、计数率等均明显优于半导体SPD。同时，它还可以宽谱响应、自由运行。更为重要的是，SNSPD已经在量子信息和光极限探测领域获得了大量的应用验证，充分显示了其性能的优势。基于小型低温制冷机的SNSPD系统已经成为一个可以实用化的解决方案。全球已有六家小型高科技公司开展了SNSPD的小规模产业化运作。
我是2007年从美国国家标准与技术研究所(NIST)回国，从零开始启动SNSPD相关研究。在中科院先导项目等经费支持下，我组建团队开展了SNSPD基础与应用基础研究，在器件探测机理、高性能器件研发、新原理器件和前沿应用方面取得了系列原创性成果。
我们阐明了SNSPD纳米线光子吸收效率和本征响应效率之间的纠缠关系、暗计数和抖动起源机理。器件的探测效率(>90%)、暗计数( <1 Hz) 和时间抖动(<15 ps)等性能国际领先。同时，我们在国内积极开展应用探索，合作创造了量子信息——包括量子密钥分发、量子指纹、量子隐形传态和卫星激光测距等领域多个世界纪录。量子通信应用成果入选2014年两院院士评选的十大科技进展，目前已有20余套系统应用于我国10余家科研机构。
超导纳米线单光子探测器系统样机
此外，中科院上海微系统所与研发团队还投资成立了 赋同科技有限公司 ，开展SNSPD产业化工作，为我国量子信息技术提供成熟的高性能SNSPD解决方案，助力我国量子信息科技与产业化进程。
潘建伟院士曾在2015年对我们团队的研究工作给予了高度评价：“彻底解决了我国高性能SNSPD技术的有无问题，性能指标达到了国际先进水平，为我国量子信息领域的可持续发展提供了关键技术支撑”。
对于应用基础研究，合作是走向成功的唯一途径
这些年对于超导单光子探测技术的研究表明，其探测效率、暗计数等性能的提升并非主要依赖于超导材料或加工技术的进步，而是依靠光学技术的发展。SNSPD研究中所用到的光学技术对于超导电子学研究人员来说非常“新颖”，而对于光学领域的人来说，这些都是非常成熟、甚至是“教科书级”的知识。所以，拓宽知识面，把不同领域的知识运用到自己的科研工作中，往往会成为一名科研“奇兵”。跨界做科研，路才会越走越宽。
每个完成博士研究的毕业生都已经进入了一个非常专业的领域，或者说已经钻入了“牛角尖”。博士毕业后的科学研究其实是一个崭新的开始，需要从牛角尖里走出来，世界那么大，一定要出去转转。科技的不断发展使学科分类越来越细，每个细分领域都诞生了无数的“小牛顿”，我们必须多爬上几个小牛顿的肩膀，才能站的更高、看得更远。
对于应用基础研究，应用需求是第一驱动力，不合作只有死路一条。SNSPD研究之所以能够快速发展，正是因为紧抓量子信息技术发展的脉络，紧抓量子密钥分发等学科发展对高性能单光子探测技术的需求。每种超导探测器研究都是一门小学科，发展如果不瞄准应用需求，很快就会迷失方向，进入没有出路的死胡同。历史上存在过很多种超导传感器和探测器，而真正走向应用、特别是规模化应用的非常有限，大部分最终无法走出实验室而仅仅停留在纸面文字上。
高效率SNSPD示意图
（SCIENCE CHINA Physics,Mechanics & Astronomy 2017年12月封面文章）
当代多数科学研究，特别是实验科学研究往往是个集体项目。上海微系统所的SNSPD研究正是通过合作，将SNSPD应用到了量子信息、空间激光通信、生物荧光光谱分析、芯片检测等众多领域，才使得SNSPD的发展具备了长久的生命力。通过和中科大张强教授合作，使自主研发的SNSPD在量子密钥分发、量子指纹和量子隐形传态等领域创造了多项应用世界纪录；通过和中科大陆朝阳教授合作，实现了SNSPD在光量子模拟中的应用；通过和清华张巍副教授合作，实现了SNSPD在纠缠光子对的表征应用；通过和上海天文台张忠萍研究员合作，国际上首次实现了SNSPD在卫星激光测距中的应用；通过和中科院理化所梁惊涛研究员合作，实现了国际最高性能的面向空间应用SNSPD系统。
友好是别人可以施舍给你的，尊重必须靠自己赢得
我回国做科研已经有10年，最大的成就感就在于为满足自己国家需求而研发的SNSPD性能达到了国际先进水平甚至是领先水平，获得别人的尊重，使得我国的科技发展不会因为SNSPD的原因而落后于其它国家。中国是个大国，核心科技必须掌握在自己手中。时至今日，整体的科技落后并没有改变，技术封锁仍然是一个经常碰到的问题。
中国一般并不缺科研领域的国际合作伙伴，特别是做得不够强的时候，“友好”的合作往往容易实现，这种“友好”是别人可以施舍的，因为我们比他弱，他并不担心彼此之间的竞争。当我们的科技实力和综合国力强大起来的时候，这种“友好”往往会消失，竞争的关系就凸显出来了。因此，我们需要的不是这种“友好”，而是“尊重”。这种“尊重”必须要靠自己通过奋斗和斗争才能赢得。
尤立星，中科院上海微系统所“百人计划”研究员、博导、超导研究室主任，中科院特聘研究员，中国科学技术大学微电子学院兼职研究员，中国电子学会会士，上海市优秀学术带头人。国家重点研发计划“高性能单光子探测技术”项目（2017-2022）负责人。自2007年起开展超导单光子探测（SNSPD）技术方面的研究，研发的SNSPD器件性能达到国际领先水平，实现量子信息、卫星测距等系列应用演示，并实现了商业化销售。
在Nature Photonics、Nature Communication、PRL等期刊发表论文100余篇，发明专利15项。量子通信合作研究成果入选2014年中国十大科技进展。担任《Superconductor Science and Technology》、《Scientific Reports》编委、IEEE CSC Superconductivity News Forum副主编、IEC-TC90 超导传感器组成员、International workshop of superconducting sensors and detectors (IWSSD)国际委员会委员、国家超导标准化技术委员会副主任委员、中国电子学会超导电子学分会副主任委员、量子信息分会委员、中国激光杂志社青年编委等学术兼职。
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