中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所研究員尤立星團隊利用無(wú)損介質(zhì)鏡面結合三明治結構超導納米線(xiàn)，實(shí)現了NbN材料超導納米線(xiàn)單光子器件（SNSPD）98%的探測效率，再次創(chuàng )造了NbN SNSPD探測效率的新的世界紀錄。
100%系統探測效率（SDE）是單光子探測器發(fā)展的最終目標，在量子基礎理論驗證和量子信息科技中具有應用價(jià)值。SNSPD憑借高探測效率、低暗計數、低時(shí)間抖動(dòng)等性能指標，在量子通信、量子計算、深空光通信、生物熒光成像等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)了量子信息技術(shù)和其他前沿科學(xué)的發(fā)展。對SNSPD來(lái)說(shuō)，實(shí)現100%效率的關(guān)鍵難點(diǎn)在于，需同時(shí)實(shí)現接近100%的本征探測效率和吸收效率。由于二者之間的糾纏制衡關(guān)系，相比于其他低Tc的超導材料（如WSi），高Tc的NbN材料SNSPD實(shí)現高SDE的難度更大。2017年，研究人員通過(guò)工藝優(yōu)化，首次報道了基于小型閉合循環(huán)制冷機，2.1 K工作溫度下，NbN-SNSPD系統探測效率（1550 nm工作波長(cháng)）可超過(guò)90%；2019年，研究人員發(fā)明了離子注入等手段，首次打破了NbN本征探測效率和吸收效率的制衡關(guān)系，再次實(shí)現了90%探測效率SNSPD器件，為極限效率探測研究奠定基礎。
近期，經(jīng)過(guò)系統分析，研究團隊提出了無(wú)損介質(zhì)鏡面加三明治超導納米線(xiàn)的器件架構，再次打破了NbN SNSPD器件的本征探測響應和光學(xué)吸收效率的制衡關(guān)系，實(shí)現了兩者的同時(shí)提升。在0.8 K工作溫度，1590 nm波長(cháng)實(shí)現了98%的系統探測效率，在1530-1630 nm波長(cháng)范圍內的系統效率超過(guò)95%。該類(lèi)型的探測器還顯示出對多種參數的魯棒性，例如，在2.1 K溫度下，同一批次制造的45個(gè)探測器，SDE大于80%（90%）的產(chǎn)率達73%（36%），對批量生產(chǎn)及商業(yè)化應用具有實(shí)際意義。
相關(guān)研究成果以Detecting single infrared photons toward optimal system detection efficiency（《最優(yōu)效率紅外單光子探測》）為題，在線(xiàn)發(fā)表在Optics Express上，博士研究生胡鵬為論文第一作者，副研究員李浩和尤立星為論文的通訊作者。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“高性能單光子探測技術(shù)”、國家自然科學(xué)基金、上海市科委量子專(zhuān)項、上海市啟明星、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人、中科院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )等的支持。
