与非网 9 月 11 日讯,单光子探测器(SPD)是一种超低噪声器件,增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可以对单个光子进行探测和计数,在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用中,单光子探测器可以一展身手。

 

作为国际战略新兴技术,量子信息领域面临着激烈的国际竞争,其核心元器件技术受到国际禁运的影响。高性能单光子探测器是量子调控中不可或缺的关键核心部件,也曾在国际禁运之列。

 

光子是光的最小单元,一个 10 瓦的灯泡 1 秒钟可以发出约 1020 个光子。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所(以下简称上海微系统所)研究员尤立星博士向记者介绍,单光子探测技术就是探测一个光子的技术,代表光信号探测能力的极限。

 

单光子探测器对量子信息领域到底有多重要?

 

打个比方:假设一颗水滴是水的最小单元,通常情况下水龙头打开水哗哗哗流出来,而量子调控就像用水龙头控制每一颗水滴滴下来,单光子探测器相当于探测到滴下来的每一颗水滴。“我们就要把探测到的单个光子转化为电信号,当前的探测水平是,如果发射 100 个光子,我们可以探测到 90 个。”

 

 

单光子探测器的研发是一个非常复杂的系统工程,从材料生产、加工到系统集成必须从零开始探索。

 

在还没有自主掌握低温超导单光子探测器(SNSPD)核心技术之前,我国进行量子通信试验所使用的单光子探测器,效率只有 20%,且噪声极大,与国际最高水平相差甚远。缺乏高性能单光子探测器已经严重影响到我国量子信息领域科学家与国外同行的竞争。

 

我国 SNSPD 从无到有,实现国内自主可控的同时,国际上单光子探测器技术水平也有了突飞猛进的发展。我国量子信息领域的快速发展也对 SNSPD 探测效率提出了更高需求。


尤立星介绍,2013 年,美国采用硅化钨(WSi)材料研发的 SNSPD 探测效率最高可达 93%,而我国当时采用氮化铌(NbN)材料制备的 SNSPD 探测效率只有 4%。

 

“WSi 材料制备的器件需要比 NbN 更低的工作温度,因此低温制冷装备的成本也要成倍地增加。”尤立星团队坚持在利用 NbN 材料开展 SNSPD 研发的方向上继续前进。

 

经过 4 年左右的钻研,2016 年,团队终于在国际上率先实现 NbN SNSPD 器件在光纤通信 1550 纳米波长的探测效率超过 90%,并持续保持 NbN SNSPD 器件效率世界纪录。

 

“新方法极大降低了杀死正常细胞的概率,专杀‘癌细胞’,是一种靶向治疗。”尤立星这样比喻。据悉,采用该方法的超低暗计数 SNSPD 系统探测效率可以在暗计数 1 赫兹条件下达到 80%,居国际领先水平。目前该技术已获得了中、美、日三国专利授权。

 

SNSPD 在效率等性能上的绝对优势能够推动其在量子通信、光量子计算、激光雷达、深空通信等多个领域拓展应用。在中科院新时期“面向国民经济主战场”的办院方针以及国家“双创”政策鼓励下,上海微系统所孵化成立了小型高科技公司,开展 SNSPD 技术的产业化运作。尤立星表示,目的是要解决国家的应用需求,通过市场化方式实现高科技的自我生存和技术迭代,在科研与产业之间搭建一座桥梁。

 

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