Advanced Photonics 2024年第1期文章：
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背景介绍
近几十年来，人们一直坚持对量子世界的探索，不断推进量子通信、量子计算等理论体系的构建和量子技术的进步。随着基于量子力学的量子器件、技术发展(主要内容包括量子计算、量子通信等)，人类世界迎来了“第二次量子革命”的曙光，其中，光作为电磁波谱中人类了解最为全面的波段，光子是最易产生、操控、传输及探测的量子态载体之一，光量子信息技术成为了量子信息领域的关键角色之一。
光量子信息技术是科技强国的“重器”，也是世界各国非常重视的颠覆性技术之一，例如：中国科学技术大学潘建伟院士团队经过二十多年研究攻关构建的量子计算机“九章”(如图1)，就涉及了量子光源、量子干涉、单光子探测器等领域的自主创新。超导单光子探测器 (SSPD)作为微观体系量子态检测和调控方面的核心器件，在“九章”量子计算机、量子密钥分发、量子随机数发生器中均有应用。超导单光子探测器的主要原理是超导宏观量子效应与环境电磁场的相互作用，其具有高时间分辨率、低暗计数率、高探测效率以及宽光谱响应等优点，推动了光子量子计算、量子光源的制备和表征、激光雷达等领域的应用发展。然而，目前超导单光子探测器仍面临着光子数分辨能力不足、保真度较低等问题，而随着前沿科学领域的飞速发展，人类社会对于超导单光子探测器提出了更为迫切的应用需求、更高的性能要求，因此相关的研发突破势在必行。
图1 采用了高性能超导单光子探测器的中国量子计算机“九章”
(图片源自网络)
近日，中国科学院上海微系统所孔令东博士、李浩研究员、尤立星研究员团队开发了一种兼具高保真度、宽动态探测范围和高定时精度特性的新型超导微米条带单光子探测器，能够实现10光子数的高分辨率探测;通过采用双通道定时设置，该探测器能够在大幅减少数据采集量的同时，实现光子数的实时读取;该超导探测器还可应用于创建量子随机数生成器。研究结果为光子量子计算、玻色子采样和量子计量学等领域的发展提供了参考，并以“Large-inductance superconducting microstrip photon detector enabling 10 photon-number resolution ”为题，发表在Advanced Photonics 2024年第1期。
实验制备：新型超导微带单光子探测器
采用反应性直流磁控溅射技术在热氧化硅衬底上沉积了厚度为7 nm的NbN薄膜，随后采用电子束光刻将NbN薄膜刻蚀成蜿蜒的条带结构，并在4 Pa压力和50 W射频功率下将其置于CF4等离子体中进行反应刻蚀。图2(a)所示为研制的超导微米条带单光子探测器的扫描电镜图像;超导单光子探测器中的蜿蜒条带，根据宽度可分为(A)检测、(B)连接和(C)弯曲三个功能段，如图2(b)所示为仿真获得的条带中电流密度分布;研究团队还采用衰减的1064 nm脉冲激光辐照器件，利用室温低噪声放大器对光子触发的电脉冲进行放大，进而分析单光子探测器中的多光子响应特性，其结果如图2(c)所示，当对不同个数光子进行探测时，典型输出波形的上升沿部分将表现出明显的斜率分离。
图2 (a)超导微米条带单光子探测器的扫描电镜图;(b)仿真得到的微米条带在(A)检测、(B)连接、(C)弯曲部分的电流密度分布;(c)探测不同个数光子时产生的典型输出波形的上升沿
性能测试：增强的光子数分辨率及实际应用
研究证明通过增加超导条带的宽度和电感可以调控光子响应脉冲的上升沿斜率，将表现出更优异的光子数分辨能力。通过将超导条带加宽至微米级，即使在没有使用低温放大器的情况下仍能获得10个光子数分辨能力。当探测的光子数小于5时，研制的超导微米条带单光子探测器的读出保真度将大于0.98，而当探测的光子数大于8时，其读出保真度将衰减至0.90以下，如图3所示。此外，基于光子数响应脉冲上升沿时间的映射机制，研究团队还提出了一种双通道时间相关读出装置，在大幅减少数据采集量的同时(从传统波形采集方法所需的GB/s降低至MB/s量级)，实现了光子数的实时读取。作者团队还将该单光子探测器用于相干态泊松分布的奇偶校验采样，成功应用于量子随机数发生器实验中。
图3 超导微米条带单光子探测器的光子数分辨率：(a)有效平均光子数μ为2.5和5.1的脉冲激光照射下，响应脉冲上升沿时间的统计直方图;(b)混淆矩阵，其对角线项表示光子数读出保真度;(c)有效平均光子数μ介于0.05 ~ 5范围内时的光子计数统计结果
