中科院上海微系統(tǒng)所超導(dǎo)電子實驗室尤立星、李浩、張孝富團隊通過超薄超導(dǎo)薄膜材料優(yōu)化、自主微型低溫杜瓦研制，成功實現(xiàn)了基于商用無人機平臺的高探測效率超導(dǎo)單光子探測系統(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。

超導(dǎo)單光子探測器（SSPD）因其高效率、低暗計數(shù)率和優(yōu)異的時間分辨率，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、科技部重點研發(fā)計劃等項目支持下，研制的SSPD器件和系統(tǒng)性能均達到了國際先進水平，并實現(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)采用小型機械制冷機，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算原型機、光纖量子通信等地面應(yīng)用。然而，機載量子信息應(yīng)用需求不僅需要高的探測性能指標(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)長時間工作，傳統(tǒng)基于GM制冷機的SSPD系統(tǒng)已無法滿足機載應(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，可以實現(xiàn)SSPD系統(tǒng)體積、尺寸和功耗的大幅減小，有望實現(xiàn)機載應(yīng)用。

圖1.SSPD器件在不同工作溫度下的效率~工作電流特性曲線

圖2.無人機載的SSPD系統(tǒng)實測性能

上海微系統(tǒng)所張孝富、馬若巖等通過對NbTiN薄膜材料進行組分優(yōu)化，提高薄膜均勻性和臨界溫度，使得SSPD在4.2K實現(xiàn)了近飽和的本征探測效率，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)，實現(xiàn)探測效率達到90%。與賦同量子合作，自行研制了小型液氦杜瓦和外圍電路，并在世界上首次實現(xiàn)可機載SSPD系統(tǒng)。無人機飛行實驗實測探測效率達到90%。該實驗的成功為未來機載量子信息（量子通信、激光雷達等）發(fā)展奠定了堅實基礎(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—“量子通信與量子計算機” 重大項目與國家自然科學(xué)基金等項目資助。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1117/1.APN.4.2.026003