超導納米線單光子探測器是本世紀初出現的一種新型的單光子探測技術, 其探測效率, 暗計數, 時間抖動等性能指標明顯優於傳統的半導體單光子探測器, 受到國內外學術界的廣泛關注, 並已經廣泛應用於量子通信, 量子計算等領域, 並有力推動了量子資訊技術的發展.
在光纖通信1550納米工作波長, 美國國家標準與技術研究所Marsili等人採用極低溫超導材料WSi製備的SNSPD, 實現了最高探測效率達93%. 然而, WSi-SNSPD通常工作在1K以下工作溫度, 必須採用昂貴複雜的深低溫製冷機 (比如稀釋製冷機等) , 這極大限制了這類高性能單光子探測器的應用.
國內外眾多研究人員在努力採用更高超導轉變溫度的NbN材料研製SNSPD, 以期在2K以上工作溫度實現高探測效率, 採用小型化用戶友好的閉合迴圈製冷機就可以工作, 從而大大降低使用成本. 經過10多年的努力, NbN-SNSPD探測效率最高只達到80%左右, 和WSi-SNSPD探測效率有明顯差距. 要想達到90%以上的探測效率, 需要同時對多個不同的參數, 如光耦合效率, 光吸收效率, 本徵探測效率等進行優化, 到目前為止尚未有成功報道.
中國科學院上海微系統與資訊技術研究所 (中科院超導電子學卓越創新中心) 研究員尤立星團隊開展超導單光子探測研究近10年, 在探測器研製和應用方面取得了多項國際領先成果, 受到了國內外廣泛關注. 與中國科學技術大學潘建偉團隊合作, 曾多次創造量子資訊領域實驗的世界紀錄, 並保持了目前光纖量子通信404公裡世界紀錄.
該團隊的最新成果揭示, 基於小型閉合迴圈製冷機, 2.1K工作溫度下, NbN-SNSPD系統探測效率 (1550 nm工作波長) 可以超過90%. 隨著溫度降低到1.8K, 探測效率可以進一步提升到92%. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 2017年第12期以封面文章形式報道了這一發現. 日本情報通信研究機構SNSPD研究著名學者Shigehito Miki在雜誌同期以Quest towards ultimate performance in superconducting nanowire single photon detectors為題進行了評述. 論文第一作者為助理研究員張偉君, 通信作者為尤立星.
論文發表後受到了廣泛關注, 眾多國外科技媒體報道或轉載該成果. 本文工作獲得了國家重點研發計劃項目 '高性能單光子探測技術' , 中科院B類戰略性先導科技專項 '超導電子器件應用基礎研究' , 國家自然科學基金以及上海市科委等的資助.
