【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所李浩、尤立星團隊在大規(guī)模超導納米線單光子探測技術方面取得重要進展。研究團隊研制出可擴展的百通道超導納米線單光子探測系統(tǒng)，基于緊湊型低冷量制冷機實現(xiàn)了100個高性能探測通道的獨立偏置、獨立讀出和長期穩(wěn)定運行，為大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡、光量子計算、深空光通信及高通量單光子成像提供了新的技術平臺。相關成果以“A Scalable Platform for Massively Parallel Superconducting Single-Photon Detection”為題，發(fā)表于國際光學期刊《Laser & Photonics Reviews》(論文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.71972)。
 

　　超導納米線單光子探測器(SNSPD)具有探測效率高、暗計數(shù)低、響應速度快和時間分辨率高等突出優(yōu)勢，已成為量子通信、量子光學和弱光探測領域的重要核心器件。然而，當系統(tǒng)從幾個探測通道擴展到數(shù)十乃至數(shù)百個通道時，大量同軸電纜會向低溫端引入顯著熱負載，同時還會增加系統(tǒng)體積、制冷功耗和讀出復雜度。如何在保持單通道探測性能的同時實現(xiàn)大規(guī)模并行集成，是制約SNSPD系統(tǒng)進一步發(fā)展的關鍵技術問題。針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊從探測器芯片、低溫封裝、信號互連、偏置讀出和系統(tǒng)集成等多個層面開展協(xié)同設計，建立了由100個獨立SNSPD組成的大規(guī)模并行探測平臺。系統(tǒng)采用商用Gifford–McMahon制冷機，最低工作溫度低于2.1 K，并在有限低溫制冷功率條件下實現(xiàn)100個探測通道的同步運行。
 

　　為解決傳統(tǒng)同軸電纜數(shù)量隨通道數(shù)增加而迅速增長的問題，研究團隊設計了高密度多芯微帶傳輸線。與相同通道數(shù)的傳統(tǒng)同軸電纜方案相比，該多芯微帶線顯著降低了從室溫端向2 K冷端傳導的熱量。研究結果表明，其低溫熱負載約為對應同軸電纜方案的二十一分之一。在典型約 mW級的2 K制冷功率條件下，該互連方案能夠支持100個以上探測通道，而傳統(tǒng)低溫同軸電纜方案可支持的通道數(shù)通常約32路。在探測器方面，研究團隊采用NbN/SiO?/NbN雙層納米線結構，并結合Si/SiO?分布式布拉格反射鏡構建高吸收光學腔。器件采用了小型化自對準器件封裝技術，兼顧器件穩(wěn)定性和小型化。測試結果顯示，100個通道的系統(tǒng)探測效率均超過80%，分布范圍為80.1%至98.3%；暗計數(shù)率通常約為100 cps，并全部低于300 cps。系統(tǒng)還表現(xiàn)出良好的長期穩(wěn)定性。在連續(xù)7天、每天24小時的運行測試中，低溫平臺溫度始終穩(wěn)定保持在2.1 K以下。
 

　　為驗證百通道平臺在實際量子信息系統(tǒng)中的應用能力，研究團隊進一步搭建了五用戶全連接量子糾纏分發(fā)網(wǎng)絡。實驗采用波分復用技術產(chǎn)生并分配多組能量—時間糾纏光子對，五個用戶之間形成十條兩兩連接的量子鏈路。各用戶分別利用SNSPD通道接收糾纏光子，并通過非平衡馬赫–曾德爾干涉儀完成Franson雙光子干涉測量。實驗結果顯示，全部十組用戶鏈路的原始干涉可見度均超過90%，驗證了該平臺在多用戶量子網(wǎng)絡中的高效率、低串擾和并行探測能力。由于各探測通道具有獨立偏置和獨立讀出能力，系統(tǒng)還可以根據(jù)不同用戶、不同波長和不同光子通量分別調節(jié)工作狀態(tài)，為更大規(guī)模的波分復用和多用戶量子網(wǎng)絡提供了靈活基礎。
 

　　該研究將SNSPD的發(fā)展從單器件性能優(yōu)化進一步推進到系統(tǒng)級規(guī)?；?。百通道平臺兼顧高探測效率、低暗計數(shù)、低熱負載、高通道隔離度和長期穩(wěn)定運行，為解決大規(guī)模超導單光子探測中的低溫布線與系統(tǒng)集成問題提供了可行方案。除量子通信外，該平臺還可面向光量子計算、多光子符合測量、高通量時間相關單光子計數(shù)、多波束激光雷達、深空光通信、時間分辨光譜和生物醫(yī)學成像等應用。通過配置針對高計數(shù)率、低時間抖動或低暗計數(shù)優(yōu)化的SNSPD芯片，同一系統(tǒng)架構可適應不同應用對探測性能的需求。未來，研究團隊將進一步開展低損耗多芯微帶線、低溫前置放大、高速FPGA時間數(shù)字轉換和片上多像元探測陣列等技術研究，持續(xù)提升系統(tǒng)時間分辨率、單通道計數(shù)率和數(shù)據(jù)處理能力，并推動探測規(guī)模向數(shù)百乃至更多通道擴展。
 

　　本工作受到國家自然科學基金(62401554、U24A20320)，國家科技重大專項(2023ZD0300100)，以及上海市量子重大專項(2019SHZDZX01)等項目資助。論文第一作者為博士后肖游及研究生萬震，通信作者為肖游和李浩研究員。
 

　　引用：上海微系統(tǒng)所實現(xiàn)百通道超導單光子探測系統(tǒng)----中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所【引用時間：2026年10月8日】