【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】上海微系統(tǒng)所超導(dǎo)電子實(shí)驗(yàn)室尤立星、李浩、張孝富團(tuán)隊(duì)通過超薄超導(dǎo)薄膜材料優(yōu)化、自主微型低溫杜瓦研制，成功實(shí)現(xiàn)了基于商用無人機(jī)平臺(tái)的高探測(cè)效率超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)。該研究成果于2月13日以“Drone-based superconducting nanowire single-photon detection system with a detection efficiency of more than 90%” 發(fā)布在學(xué)術(shù)期刊《Advanced Photonics Nexus》上，論文鏈接地址為https://doi.org/10.1117/1.APN.4.2.026003.
超導(dǎo)單光子探測(cè)器(SSPD)因其高效率、低暗計(jì)數(shù)率和優(yōu)異的時(shí)間分辨率，成為量子信息領(lǐng)域的使能技術(shù)。上海微系統(tǒng)所在中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持下，研制的SSPD器件和系統(tǒng)性能均達(dá)到了國際先進(jìn)水平，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。國產(chǎn)SSPD系統(tǒng)已經(jīng)在我國量子通信和光學(xué)量子計(jì)算等方面得到了廣泛的應(yīng)用，有效避免了該領(lǐng)域核心探測(cè)器的卡脖子問題。由于SSPD通常采用低溫超導(dǎo)材料Nb(Ti)N等研制，其性能隨著工作溫度降低而逐漸提升。因此，主流的SSPD系統(tǒng)采用小型機(jī)械制冷機(jī)，典型工作溫度在2K左右。這類SSPD系統(tǒng)尺寸、功耗和體積較大，主要適合于九章光量子計(jì)算原型機(jī)、光纖量子通信等地面應(yīng)用。然而，機(jī)載量子信息應(yīng)用需求不僅需要高的探測(cè)性能指標(biāo)，還需要系統(tǒng)的體積、功耗和尺寸都足夠小，并具備快速部署的能力，但是不需要連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，傳統(tǒng)基于GM制冷機(jī)的SSPD系統(tǒng)已無法滿足機(jī)載應(yīng)用需求。如果SSPD的工作溫度能夠提升至4.2K，結(jié)合液氦杜瓦，可以實(shí)現(xiàn)SSPD系統(tǒng)體積、尺寸和功耗的大幅減小，有望實(shí)現(xiàn)機(jī)載應(yīng)用。
上海微系統(tǒng)所張孝富、馬若巖等通過對(duì)NbTiN薄膜材料進(jìn)行組分優(yōu)化，提高薄膜均勻性和臨界溫度，使得SSPD在4.2K實(shí)現(xiàn)了近飽和的本征探測(cè)效率，并結(jié)合上海微系統(tǒng)所發(fā)展的成熟SSPD制備工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)效率達(dá)到90%。與賦同量子合作，自行研制了小型液氦杜瓦和外圍電路，并在世界上首次實(shí)現(xiàn)可機(jī)載SSPD系統(tǒng)。無人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)探測(cè)效率達(dá)到90%。該實(shí)驗(yàn)的成功為未來機(jī)載量子信息(量子通信、激光雷達(dá)等)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所為該論文的第一完成單位和通訊單位，馬若巖博士為該論文的第一作者，通訊作者為張孝富與尤立星研究員。該研究受到科技創(chuàng)新2030—“量子通信與量子計(jì)算機(jī)” 重大項(xiàng)目與國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
圖：SSPD器件在不同工作溫度下的效率~工作電流特性曲線
圖：無人機(jī)載的SSPD系統(tǒng)實(shí)測(cè)性能
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