與非網(wǎng) 9 月 11 日訊，單光子探測器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強的靈敏度使其能夠探測到光的最小能量量子——光子。單光子探測器可以對單個光子進行探測和計數(shù)，在許多可獲得的信號強度僅為幾個光子能量級的新興應用中，單光子探測器可以一展身手。

作為國際戰(zhàn)略新興技術(shù)，量子信息領(lǐng)域面臨著激烈的國際競爭，其核心元器件技術(shù)受到國際禁運的影響。高性能單光子探測器是量子調(diào)控中不可或缺的關(guān)鍵核心部件，也曾在國際禁運之列。

光子是光的最小單元，一個 10 瓦的燈泡 1 秒鐘可以發(fā)出約 1020 個光子。”中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡稱上海微系統(tǒng)所）研究員尤立星博士向記者介紹，單光子探測技術(shù)就是探測一個光子的技術(shù)，代表光信號探測能力的極限。

單光子探測器對量子信息領(lǐng)域到底有多重要？

打個比方：假設一顆水滴是水的最小單元，通常情況下水龍頭打開水嘩嘩嘩流出來，而量子調(diào)控就像用水龍頭控制每一顆水滴滴下來，單光子探測器相當于探測到滴下來的每一顆水滴。“我們就要把探測到的單個光子轉(zhuǎn)化為電信號，當前的探測水平是，如果發(fā)射 100 個光子，我們可以探測到 90 個?！?/p>

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單光子探測器的研發(fā)是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，從材料生產(chǎn)、加工到系統(tǒng)集成必須從零開始探索。

在還沒有自主掌握低溫超導單光子探測器（SNSPD）核心技術(shù)之前，我國進行量子通信試驗所使用的單光子探測器，效率只有 20%，且噪聲極大，與國際最高水平相差甚遠。缺乏高性能單光子探測器已經(jīng)嚴重影響到我國量子信息領(lǐng)域科學家與國外同行的競爭。

我國 SNSPD 從無到有，實現(xiàn)國內(nèi)自主可控的同時，國際上單光子探測器技術(shù)水平也有了突飛猛進的發(fā)展。我國量子信息領(lǐng)域的快速發(fā)展也對 SNSPD 探測效率提出了更高需求。

尤立星介紹，2013 年，美國采用硅化鎢（WSi）材料研發(fā)的 SNSPD 探測效率最高可達 93%，而我國當時采用氮化鈮（NbN）材料制備的 SNSPD 探測效率只有 4%。

“WSi 材料制備的器件需要比 NbN 更低的工作溫度，因此低溫制冷裝備的成本也要成倍地增加?！庇攘⑿菆F隊堅持在利用 NbN 材料開展 SNSPD 研發(fā)的方向上繼續(xù)前進。

經(jīng)過 4 年左右的鉆研，2016 年，團隊終于在國際上率先實現(xiàn) NbN SNSPD 器件在光纖通信 1550 納米波長的探測效率超過 90%，并持續(xù)保持 NbN SNSPD 器件效率世界紀錄。

“新方法極大降低了殺死正常細胞的概率，專殺‘癌細胞’，是一種靶向治療?！庇攘⑿沁@樣比喻。據(jù)悉，采用該方法的超低暗計數(shù) SNSPD 系統(tǒng)探測效率可以在暗計數(shù) 1 赫茲條件下達到 80%，居國際領(lǐng)先水平。目前該技術(shù)已獲得了中、美、日三國專利授權(quán)。

SNSPD 在效率等性能上的絕對優(yōu)勢能夠推動其在量子通信、光量子計算、激光雷達、深空通信等多個領(lǐng)域拓展應用。在中科院新時期“面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場”的辦院方針以及國家“雙創(chuàng)”政策鼓勵下，上海微系統(tǒng)所孵化成立了小型高科技公司，開展 SNSPD 技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化運作。尤立星表示，目的是要解決國家的應用需求，通過市場化方式實現(xiàn)高科技的自我生存和技術(shù)迭代，在科研與產(chǎn)業(yè)之間搭建一座橋梁。

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