面向空间应用的超导单光子探测技术取得重要突破

近日，中科院上海微系统所的尤立星团队与中科院理化所梁惊涛团队在面向空间应用的超导单光子探测器（SNSPD）技术领域再次取得突破，打破自身2018年创造的纪录，实现了通信波段最大探测效率93%的新的世界纪录，为我国开展基于超导单光子探测器的深空通信、空间量子信息等应用奠定了基础。

该研究成果于2021年5月20日（北京时间）以《系统探测效率达到93%的基于可空间应用制冷机的超导单光子探测器》(Superconducting single-photon detector with a system efficiency of 93% operated in a 2.4 K space-application compatible cryocooler)为题，以快报(Letter)形式在线发表在超导领域国际著名学术期刊Superconductor Science and Technology上。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector)作为一种高性能的单光子探测器，已经广泛的应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技进步。

然而，迄今为止，所有的SNSPD都只在地面实现了应用验证，包括美国NASA 2013年的月地激光通信（LLCD）项目，也仅是在地面接收站使用了超导单光子探测器。如果能够在空间应用中采用SNSPD，有望推动空间光学天文观测、深空光通信、空间量子信息等技术的跨越式发展。

而制约SNSPD空间应用的主要因素是制冷技术。SNSPD通常需要在液氦（4.2K）以下温区工作，典型的解决方案是采用商用的G-M二级闭合循环制冷机。包括我国唯一一家SNSPD产业化公司——赋同科技在内全球6家公司SNSPD 商业化产品都采用类似的制冷技术。然而这类制冷机采用了油润滑压缩机，冷头有运动部件，而且受到体积、重量功耗制约，无法实现空间应用。

瞄准空间应用对高性能单光子探测技术的迫切需求，全球科研人员一直在努力发展面向空间应用的小型液氦温区制冷机技术，并期望将其和高性能SNSPD结合以实现可空间应用的高性能SNSPD系统。

2017年1月，美国NIST首次报道了一个基于三级脉管加JT节流技术的小型制冷机，然而其JT的压缩机尚未成功研制[IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)]。

2017年9月，英国Glasgow大学报道了一个可空间应用的基于斯特林+JT节流技术的小型制冷机，最低温度只能达到4.2K。利用该制冷机实现了SNSPD系统，但是性能非常有限(1310 nm波长/暗计数KHz/探测效率仅20%)，和半导体探测器性能相当[Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)]。

中科院上海微系统所尤立星团队和中科院理化所梁惊涛团队通力合作开展面向空间应用的SNSPD系统研发。微系统所成功研发了高性能的SNSPD，理化所成功研发了可实现空间应用的二级脉管+JT节流技术小型制冷机，最低无负载工作温度可达到2.6 K。

在双方联合攻克一系列集成技术难题后，我国在国际上首次实现了1550nm工作波长探测效率超过50%的SNSPD系统[Optics Express 26: 2965 (2018)]。这一成果首次展示了SNSPD相对于传统半导体单光子探测器在空间应用中的性能优势及巨大潜力。

2020年，上海微系统所利用三明治结构超导纳米线实现SNSPD 98%的效率纪录[Optics Express 28: 36884 (2020)]。与此同时，北京理化所依托在空间制冷领域的持续技术创新，对制冷机进行了进一步的优化，制冷机的体积和最低工作温度得到了进一步降低（图1）。双方在此基础上再次合作，成功实现了最大探测效率93%的可空间应用的超导单光子探测系统（图2），刷新了我国保持了两年多的系统探测效率纪录。该成果对于SNSPD的空间应用具有广泛而深远的意义。

论文第一作者为上海微系统所博士生胡鹏和理化所马跃学助理研究员，通信作者为上海微系统所李浩研究员、尤立星研究员以及理化所刘彦杰副研究员。本工作获得了国家重点研发计划(2017YFA0304000、2018YFB0504600)、国家自然科学基金(61971408、61827823、51806228、51776213)、上海市科委(2019SHZDZX01)、上海市启明星 (20QA1410900)、上海市优秀学术带头人(18XD1404600)以及中科院青年创新促进会 (2020241、2020027)等项目资助。  

图1 第一代（左）与第二代（右）制冷机真空腔尺寸对比

图2 SNSPD系统探测效率（红色曲线）和暗计数（蓝色曲线）随偏置电流变化曲线 

论文链接：

https://doi.org/10.1088/1361-6668/abff14

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