我国成功研发世界最高效率(>90%)的实用化超导单光子探测器
超导纳米线单光子探测器(SNSPD: Superconducting nanowire single-photon detector)探测效率等性能指标明显优于传统的半导体单光子探测器, 有力推动了量子通信等量子信息领域科技发展。中科院上海微系统所/中国科学院超导电子学卓越创新中心尤立星研究员团队在国际上首次采用NbN超薄薄膜成功实现1550 nm工作波长系统探测效率超过90%的SNSPD, 为SNSPD的规模化应用铺平了道路。SNSPD器件结构示意图见图1。
图 1 光纤耦合SNSPD器件结构示意图。
研究论文作为封面文章发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 2017年第12期上[1]。论文第一作者为张伟君助理研究员, 通信作者为尤立星研究员。
2013年, 美国国家标准与技术研究所Marsili等人[2]首次报道了采用极低温超导材料WSi制备的SNSPD器件, 1550 nm波长最高探测效率达到93%, 而传统的半导体单光子探测器效率一般不超过30%。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超低温制冷机(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一直在努力研究采用其它超导材料研制SNSPD, 以期在2 K以上工作温度实现高探测效率, 采用小型闭合循环制冷机就可以工作, 从而大大降低使用成本, 提高易用性。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。
本文在国际上首次报道了基于小型闭合循环制冷机NbN-SNSPD系统探测效率(2.1 K工作温度下, 1550 nm工作波长, 10 Hz 暗计数)超过90%。随着温度降低到1.8 K, 探测效率可以进一步提升到92%。
探测效率的提升归功于采用了片上集成的近100%反射率的光学反射腔以及器件材料和工艺参数优化。这使得NbN-SNSPD同时实现光耦合效率、吸收效率及本征探测效率的最大化。除了超过90%的探测效率, NbN-SNSPD还实现了79 ps的时间抖动, 为WSi-SNSPD器件时间抖动的一半, 可以用于对时间抖动要求较高的应用场合。目前该器件已经应用于中国科学技术大学量子信息前沿实验研究中。
基于实用化小型制冷机, 实现近100%探测效率的SNSPD系统为量子信息等领域科研人员提供一个强大而便捷的工具。可以立刻应用于光量子计算/模拟、量子密钥分发、量子力学实验验证等研究, 进一步推动量子信息领域实验科学的发展。上海微系统所和研发团队已成立了上海赋同科技有限公司, 进行SNSPD技术的产业化。
上海微系统SNSPD技术研究已达到了国际领先水平, 为我国量子通信发展提供了核心探测器支撑。和中科大潘建伟院士团队合作, 曾多次创造并保持了目前光纤量子通信404公里世界纪录[3]。尤立星研究员认为, 通过光学结构改进、超导材料和工艺优化, 基于NbN薄膜的SNSPD器件探测效率等性能还有望进一步提升。高性能的SNSPD器件将持续为我国量子信息前沿科学研究保持国际领先地位保驾护航。
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。
参考文献：
[1] W. J. Zhang, et al. NbN superconducting nanowire single photon detector with efficiency over 90% at 1550 nm wavelength operational at compact cryocooler temperature, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 60, 120314 (2017)
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-017-9113-4
[2] F. Marsili, et al. Detecting single infrared photons with 93% system efficiency. Nature Photonics 7(3): 210-214 (2013)
https://www.nature.com/articles/nphoton.2013.13
[3] H.-L. Yin, et al. Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution Over a 404 km Optical Fiber. Physical Review Letters 117(19): 190501. (2016)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.190501
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