科技進展

上海微系統所再創超導單光子探測器效率新紀錄

  

  近日,中科院上海微系統所的尤立星團隊,利用無損介質鏡面結合三明治結構超導納米線,實現NbN材料超導納米線單光子器件(SNSPD98%的探測效率,再次創造NbN SNSPD探測效率的新的世界紀錄。相關研究成果于2020年11月20日(北京時間)以《最優效率紅外單光子探測(Detecting single infrared photons toward optimal system detection efficiency》爲題在線發表在學術期刊Optics Express杂志上。論文第一作者爲博士研究生胡鵬,通信作者爲李浩副研究員和尤立星研究員。 

  100%系統探測效率(SDE)是单光子探测器发展的终极目标,在量子基础理论验证和量子信息科技中具有重大應用价值。SNSPD憑借高探測效率、低暗計數、低時間抖動等性能指標,在量子通信、量子計算、深空光通信、生物熒光成像等領域發揮著重要作用,有力的推動了量子信息技術和其他前沿科學的發展。對于SNSPD而言,實現100%效率的關鍵難點在于,需要同時實現接近于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系,相比于其他低Tc的超導材料而言(例如WSi),高TcNbN材料SNSPD實現高SDE面臨的難度更大。2017年,該研究團隊通過工藝優化,國際首次報道了基于小型閉合循環制冷機,2.1K工作溫度下,NbN-SNSPD系統探測效率(1550nm工作波長)可以超過90%【SCPMA 60(12): 120314. (2017),WoS高被引論文,全球该领域仅6篇】。2019年,研究团队发明了离子注入等手段首次突破了NbN本征探測效率和吸收效率的制衡關系,再次實現了90%探測效率SNSPD器件【PRA 12, 044040 (2019)】,爲極限效率探測研究奠定了重要基礎。 

  經系統分析研究,研究團隊在工作中提出了無損介質鏡面加三明治超導納米線的器件架構,再次突破了NbN SNSPD器件的本征探測響應和光學吸收效率的制衡關系,實現了兩者的同時提升。在0.8K工作溫度,1590nm波長實現了最大98%的系統探測效率,在1530–1630nm波長範圍內的系統效率超過95%。該類型的探測器還顯示出對多種參數的魯棒性。比如,在2.1K溫度下,同一批次制造的45個探測器,SDE大于80%(90%)的产率高达73%(36%),对批量生产及商业化應用具有重要的实际意义。 

  本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2017YFA0304000)、國家自然科學基金(61971408,6167143861827823)以及上海市科委量子專項(2019SHZDZX01),上海市啓明星 (20QA1410900), 上海市優秀學術帶頭人(18XD1404600)以及中科院青年創新促進會(2020241)等項目資助。 

  原文鏈接:https://doi.org/10.1364/OE.410025 

  圖1. (a)器件架構示意圖。(b)傳統單層納米線與本文中的三明治結構納米線。(c)器件光子響應和光學吸收的制衡關系。 

  2. (a)器件效率隨偏置電流變化關系。(b)器件在不同波段下的探測效率和仿真結果。