xingkong星空-【特邀报告】量子眼——单光子探测器

收录在话题

#特邀陈诉

1、前 言

跟着人类对于量子世界熟悉的不停加深以和试验科技的前进，量子态孕育发生、调控和探测能力也逐渐获得加强，以此为基础的量子信息技能成为本世纪初的科技及财产热门，并被称为“第二次量子革命”。光是电磁波谱中人类熟悉最为周全的波段，光子也是最易孕育发生、操控、传输和探测的量子态载体之一。是以，光量子信息技能于量子信息技能中饰演着要害脚色。光量子信息中信息的载体是单个光子。是以，单光子探测器（SPD: Single photon detector）就成为光量子信息技能中不成或者缺的焦点器件。

今朝主流的单光子探测技能包括光电倍增管（PMT: Photomultiplier Tube）、半导体雪崩光电二极管（APD: Avalanche Photodiode）以和超导（纳米线）单光子探测器（SSPD：superconducting nanowire single photon detector/superconducting strip photon detector）三种。

2、光电倍增管（PMT）

PMT是基在外光电效应及二次电子发射效应的一种SPD。光子被工夫极接收后，工夫极引发出光电子；光电子进入倍增体系经由过程进一步的二次发射获得倍增放年夜，多级倍增以后孕育发生的年夜量电子达到阳极形成可丈量的电脉冲旌旗灯号。PMT重要事情于紫外、可见及近红外区，具备相应快速、成本低、阴极面积年夜等长处。与其它几类SPD比拟，光敏面年夜是它最为怪异的上风，典型尺寸可以从几毫米到几百毫米不等，尤其合适在年夜光敏面需求的运用范畴，今朝最年夜的PMT可达20英寸。好比日本滨松是国际PMT的重要提供商，它提供的PMT已经经运用在神冈中微子探测试验中，结果得到两项诺贝尔物理学奖。最近几年来，我国北方夜视等单元自立研发的20英寸PMT也逐渐成熟，而且于国度庞大科技基础举措措施高海拔宇宙线不雅测站（LHAASO）及江门中微籽实验中年夜量利用。

3、半导体雪崩光电二极管（APD）

APD使用半导体的内光电效应实现了单光子探测。给光电二极管较高的反向偏置电压后，使用雪崩击穿效应，可于APD中得到数百以致上千倍的内部电流增益，凡是又被称为SPAD（Single Photon Avalanche Diode）。SPAD利用的质料差别，可以别离事情于可见光（Si质料）或者近红外（InGaAs/InP质料）波段。SPAD具有体积小、集成度高的上风，已经成为一种主流的SPD技能，并于激光测距、漫衍式传感、弱光成像、高速光电阐发仪器、无线光通讯以和量子信息等范畴获得了广泛的运用。国际上已经经有多家贸易公司提供SPAD和基在SPAD阵列的相机产物，好比Excelitas、ID Quantique、MPD等。我国中电44所及中科年夜等单元互助，已经经把握近红外波段高机能SPAD芯片和其相干电路技能，自研SPAD机能已经经到达国际进步前辈程度，并于量子通讯、激光雷达等范畴获得了运用。

4、超导纳米线单光子探测器（SSPD）

SSPD使用微纳标准的超导质料相变实现量子极限敏捷度光探测，于可见和近红外波段均展示了无与伦比的单光子探测能力。今朝SSPD的探测效率已经靠近1，而且于光量子信息等范畴获得了广泛的运用。我国SSPD重要研究单元有中国科学院上海微体系与信息技能研究所、南京年夜学及天津年夜学等。我国SSPD研发实力已经周全到达了国际进步前辈程度，为我国于量子信息等范畴进入国际第一梯队提供了焦点探测器支撑。好比作者地点的上海微体系所团队已经经把握了SSPD质料生长、器件设计与工艺、低温体系集成等全链条技能，研发的SSPD于光纤通讯1550 nm波长最高体系探测效率到达98%，最低暗计数到达1 cps如下，到达了世界最佳程度。需要尤其申明的是，相干团队已经依托上海微体系所孵化了赋同量子科技有限公司，乐成实现了SSPD技能产物化，转变了该范畴持久依靠入口产物的近况。五年来，已经经为海内用户提供逾百台高机能SNSPD体系，海内市场据有率逾七成，成了光电范畴高端科研仪器国产化的范例。

图1上海微体系所研制的双层超导纳米线单光子探测器示用意

本世纪SPD成长的最强盛的需求牵引来自在量子信息技能的快速成长。InGaAs APD因为其体积小、集成度高，已经经广泛运用在海内外量子通讯中，包括京沪量子通讯干线及全世界首颗墨子号量子通讯卫星。可是其存于着探测效率有限、暗计数高档不足，短时间内没有很好的解决方案。而SNSPD具备高探测效率、低暗计数、高速率等上风，遭到了量子信息范畴的广泛存眷。因为其必需利用4 K甚至更低温度的制冷机，使患上年夜范围运用受限。可是，作为一种高端科研仪器，SSPD已经经成为量子信息前沿科学试验中的强盛东西。2014年以来，潘建伟院士团队于量子通讯范畴，使用SSPD屡次创造了光纤量子密钥分发间隔世界纪录；最近几年来，全世界光纤量子密钥分发的间隔不停创造新纪录险些都是利用SSPD实现的。于光量子计较范畴，2020年潘建伟院士团队报导了76个光子的量子计较原型机“九章”结果，实现了“高斯玻色取样”使命的快速求解，使患上中国乐成到达了量子计较研究的第一个里程碑：量子计较优胜性。“九章”中一项焦点技能就是100个高效率SSPDs。于2021年的“九章2.0”中，SNSPD数目增长至144个，探测器机能也获得了进一步晋升。

图2“九章”光量子计较机中利用的一台超导单光子探测体系

除了了量子通讯及光量子计较之外，SPD也给年夜量弱光探测范畴带来浩繁倾覆式立异。2013年美国NASA的LLCD项目使用地面基站的高速SSPD阵列，初次实现了绕月轨道卫星及地球之间的直接光通讯，最高速率到达622 Mbps，被誉为空间光通讯的里程碑。NASA正于实行的火星探测DSOC项目中将继承采用SSPD技能。2019年我国天琴规划中月球激光测距采用了多通道SSPD到达了厘米级分辩率。2021年，中科年夜窦贤康、夏海云团队基在SSPD发现了一种单光子探测自由空间区段光谱遥感技能，实现了自由年夜气中二氧化碳及半重水有间隔分辩率的光谱遥感阐发。2021年，中科年夜潘建伟、徐飞虎团队使用InGaAs SPAD实现跨越200千米的远间隔单光子三维成像，为远间隔方针辨认、对于地不雅测等范畴运用斥地新门路。需要申明的是，以上弱光探测都仅利用了SPD的光子计数功效，光的量子态信息还没有获得使用。将来假如可以或许于运用中使用光的量子态信息，将有望进一步增长信息维度，使患上真实的量子雷达及量子成像成为可能，为军事等运用带来厘革性技能。

5、小 结

跟着量子信息等范畴研发及财产化的进一步推进，SPD的需求仍会进一步增加，同时对于更高机能的SPD以和国产化SPD提出进一步的要求。传统的非超导单光子探测器机能相对于比力成熟，可是探测效率等机能指标晋升空间有限、性价比及像素数目不足等仍是其成长的重要瓶颈。而对于在SSPD，一方面极限机能指标（极限效率、极低噪声、极高速率、极低抖动、光子数分辩能力等）仍旧于科研范畴存于明确的需求，别的一方面，两项或者多项指标同时实现的高综合机能指标SSPD仍存于许多技能挑战。可以说，高机能SSPD将于必然水平上会影响量子信息技能试验科学的成长进程。然而，多项配套技能，包括低温制冷机、恒温器、低温电子学等，其技能成熟度及SWaP仍没法满意年夜范围运用的需求，并对于其财产化的进程孕育发生决议性影响。无论怎样，于量子信息等范畴的呼喊下，单光子探测器的春季已经经到来。

（中科院上海微体系与信息技能研究所 尤立星）

扫码存眷咱们

相识-xingkong星空