超导单光子探测器为高速量子通信带来新突破

作者：尤立星 徐飞虎

3月9日和13日，由瑞士和中国分别完成的高速量子通信成果先后在线发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上^[1][2]。两项工作的共同特点是都利用了高速的多像素超导条带光子探测器（学术界通常称其为超导纳米线单光子探测器，SNSPD）。而在此前的1月26日，美国喷气推进实验室（JPL）报道了高精度高计数率的多像素新型超导纳米线单光子探测器，发表在《光学》（Optica）杂志上^[3]。这些进展表明，超导单光子探测器正在为高速量子通信带来新的突破。

瑞士日内瓦大学Hugo Zbinden团队与ID Quantique公司合作，将14根超导纳米线并行，形成光敏面约15微米的SNSPD，该探测器速度比单线条SNSPD计数率快了20倍。利用该高速SNSPD，团队在10公里的光纤上实现了64Mbps（bits per second，每秒比特率）的实时量子密钥成码率。

日内瓦大学多像素SNSPD图片

中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所尤立星等合作，利用8根并行纳米线形成的光敏面约15微米的SNSPD，实现了每秒输入5.5亿个光子的情况下仍能保持62%的探测效率。在此基础上，研究团队在10公里的光纤上实现了115.8 Mbps的实时量子密钥成码率。近期的实验进展相比此前国际上报道的同等距离下最高实时成码率（10 Mbps）有了大幅提升，对未来量子通信的规模化实际应用具有重要意义。

量子通信的距离和速率长期受到单光子探测器性能的限制。SNSPD具有高探测效率、低暗计数、低时间抖动和高速等优点，已经在量子通信实验中创造了多项性能纪录。然而，量子通信的发展也对SNSPD的性能逐渐提出了更高的要求，更高的光子响应速度就是重要的需求之一。SNSPD的工作机理是单光子触发的超导纳米线的超导态到有阻态的相变，其理论速度极限由热弛豫时间决定，最高可以达到数十GHz，但是其纳米线结构决定了SNSPD具有较大的动态电感。因此，现实应用中SNSPD速度一般由其动态电感决定，典型SNSPD光子响应速度在10 Mcps（counts per second，每秒计数率）左右。

随着SNSPD光敏面的增大，器件的速度也会越来越慢，为了解决速度的问题，最常见的做法就是构造多像素阵列结构，在相同光敏面积内，用多根纳米线代替单根纳米线，从而使得SNSPD的电感大幅减小，理论速度提升最高可达N²倍（N为纳米线根数）。利用阵列结构提升器件速度早有先例，最具代表性的成果是2013年美国NASA将阵列SNSPD器件作为LLCD计划的深空激光通信地面接收终端探测器，实现了绕月卫星到地面速度超过600Mbps的直接激光通信^[4]。

对于面向量子通信使用的小光敏面高速器件，最有效的方式是并行型的纳米线结构。该结构的典型特点是，无论入射光场呈现何种统计分布，都尽可能的保证每根纳米线接收到的光子数基本一致，从而确保高速率的实现。2019年，上海微系统所报道了16像素最高速度达到1.5Gcps的SNSPD^[5]，创造了当时SNSPD最高速度的记录。同时，上海微系统所在SNSPD探测效率方面也保持着98%的世界最高水平。该SNSPD根据应用需要，通过进一步增加线的数量，其速度还可以进一步提升；同时通过超导材料优化和物性调控，也可以降低器件的动态电感，从而实现速度的进一步提升。2023年，美国喷气推进实验室报道了硅芯片上32根氮化铌超导纳米线探测器，可实现高精度的高计数率，最高速度达到5.3Gcps。

上海微系统所研发的8像素并行SNSPD SEM图片

SNSPD的各项性能指标都还有一定的提升空间，重要的如何和应用结合起来，发展满足应用需求的高性能SNSPD。未来，高性能SNSPD还会给量子通信的持续发展源源不断的提供动力支持。

相关论文：

[1]https://www.nature.com/articles/s41566-023-01168-2

[2]https://www.nature.com/articles/s41566-023-01166-4

[3]https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-10-2-183&id=525546

[4]D. V. Murphy, et al (2014). LLCD operations using the Lunar Lasercom Ground Terminal. Proc. SPIE 8971, Free-Space Laser Communication and Atmospheric Propagation XXVI

[5]W. Zhang et al IEEE Transactions on Applied Superconductivity 29(5): 2200204. (2019)

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