超导单光子探测器为高速量子通信带来新突破

发布时间：2023-05-04 14:14:58 所属栏目：外闻来源：

导读：由瑞士和中国分别完成的高速量子通信成果先后在线发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上[1][2]。两项工作的共同特点是都利用了高速的多像素超导条带光子探测器（学术界通常称其为超导纳米线单光子

由瑞士和中国分别完成的高速量子通信成果先后在线发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上[1][2]。两项工作的共同特点是都利用了高速的多像素超导条带光子探测器（学术界通常称其为超导纳米线单光子探测器，SNSPD）。而在此前的1月26日，美国喷气推进实验室（JPL）报道了高精度高计数率的多像素新型超导纳米线单光子探测器，发表在《光学》（Optica）杂志上[3]。这些进展表明，超导激发的单光子光电探测器技术正在为高速无线传输的量子通信领域带来新的突破。

中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎与上海微系统所尤立星等合作，利用8根并行纳米线形成的光敏面约15微米的SNSPD，实现了每秒输入5.5亿个光子的情况下仍能保持62%的探测效率。在此基础上，研究团队在10公里的光纤上实现了115.8 Mbps的实时量子密钥成码率。近期的实验进展相比此前国际上报道的同等距离下最高实时成码率（10 Mbps）有了大幅提升，对未来量子通信的规模化实际应用具有重要意义。

量子通信的距离和速率长期受到单光子探测器性能的限制。SNSPD具有高探测效率、低安计数、低时间抖动和高速等优点，已经在量子通信实验中创造了多项性能纪录。然而，量子通信的发展也对SNSPD的性能逐渐提出了更高的要求，更高的光子响应速度就是重要的需求之一。SNSPD的工作机理是单光子触发的超导纳米线的超导态到有阻态的相变，其理论速度极限由热弛豫时间决定，最高可以达到数十GHz，但是其纳米线结构决定了SNSPD具有较大的动态电感。因此，现实应用中SNSPD速度一般由其动态电感决定，典型SNSPD光子响应速度在10 Mcps（counts per second，每秒计数率）左右。

对于面向量子通信使用的小光敏面高速器件，最有效的方式是并行型的纳米线结构。该结构的典型特点是，无论入射光场呈现何种统计分布，都尽可能的保证每根纳米线接收到的光子数基本一致，从而确保高速率的实现。2019年，上海微系统所报道了16像素最高速度达到1.5 Gcps的SNSPD[5]，创造了当时SNSPD最高速度的记录。同时，上海微系统在SNSPD探测效率方面也保持着98%的世界最高水平。该SNSPD根据应用需要，通过进一步增加线的数量，其速度还可以进一步提升；同时通过超导材料优化和物性调控，也可以降低器件的动态电感，从而实现速度的进一步提升。2023年，美国喷气推进实验室报道了硅芯片上32根氮化铌超导纳米线探测器，可实现高精度的计数率，最高速度达到5.3 Gcps。

SNSPD的各项性能指标都还有一定的提升空间，重要的如何和应用结合起来，发展满足应用需求的高性能SNSPD。未来，高性能SNSPD还会源源不断地为量子通信的持续发展提供动力支持。

（编辑：汽车网）

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