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【科技日報】我國單光子探測器探測效率超百分之九十

文章來源:科技日报 侯树文 王春   發布時間:2019-09-10  【字號:     】  

  作爲國際戰略新興技術,量子信息領域面臨著激烈的國際競爭,其核心元器件技術受到國際禁運的影響。高性能單光子探測器是量子調控中不可或缺的關鍵核心部件,也曾在國際禁運之列。

  “光子是光的最小单元,一个10瓦的灯泡1秒钟可以发出约1020个光子。”中國科學院上海微系统与信息技术研究所(以下简称上海微系统所)研究员尤立星博士向科技日报记者介绍,单光子探测技术就是探测一个光子的技术,代表光信号探测能力的极限。

  單光子探測器對量子信息領域到底有多重要?尤立星打了一個比方:假設一顆水滴是水的最小單元,通常情況下水龍頭打開水嘩嘩嘩流出來,而量子調控就像用水龍頭控制每一顆水滴滴下來,單光子探測器相當于探測到滴下來的每一顆水滴。“我們就要把探測到的單個光子轉化爲電信號,當前的探測水平是,如果發射100個光子,我們可以探測到90個。”

  SNSPD特種兵與量子信息國家隊的配合戰

  尤立星于2007年回國,在上海微系統所開展低溫超導納米線單光子探測器(SNSPD)技術的研發。該技術利用超導納米材料對光敏感的特性,來實現對單個光子的探測。

  單光子探測器的研發是一個非常複雜的系統工程,從材料生産、加工到系統集成必須從零開始探索。在還沒有自主掌握SNSPD核心技術之前,我國進行量子通信試驗所使用的單光子探測器,效率只有20%,且噪聲極大,與國際最高水平相差甚遠。缺乏高性能單光子探測器已經嚴重影響到我國量子信息領域科學家與國外同行的競爭。

  尤立星表示,我國單光子探測器的起步和發展是從用戶需求中探尋出科研方向,第一步就是要實現器件的實用性和可靠性。

  在与中國科學技術大學微尺度國家實驗室潘建伟院士团队的合作中,尤立星团队通过研发新型电路结构,提高了系统的稳定性与可靠性,并将其应用环境从实验室环境,做到适应于实际现场环境。2012年,我国自主研发的SNSPD第一次成功应用到城际量子密钥分发网络中。潘建伟在用户报告提到:“与国外同类型单光子探测器相比,上海微系统所研制的SNSPD系统基于机械制冷技术实现了即插即用,既大大提升了用户友好性能,又显著降低了应用成本,具有很好的推广价值。”

  關鍵技術突破推動我國SNSPD科研邁向産業化

  就在我國SNSPD從無到有,實現國內自主可控的同時,國際上單光子探測器技術水平也有了突飛猛進的發展。我國量子信息領域的快速發展也對SNSPD探測效率提出了更高需求。

  尤立星介紹,2013年,美國采用矽化鎢(WSi)材料研發的SNSPD探測效率最高可達93%,而我國當時采用氮化铌(NbN)材料制備的SNSPD探測效率只有4%。“WSi材料制備的器件需要比NbN更低的工作溫度,因此低溫制冷裝備的成本也要成倍地增加。”尤立星團隊堅持在利用NbN材料開展SNSPD研發的方向上繼續前進。經過4年左右的鑽研,2016年,團隊終于在國際上率先實現NbN SNSPD器件在光纖通信1550納米波長的探測效率超過90%,並持續保持NbN SNSPD器件效率世界紀錄。

  “背景暗計數抑制是降低探測系統噪聲的關鍵。”尤立星講到,所謂暗計數就是噪聲,噪聲越低,系統信噪比就越高。當時國外也有一些降低噪聲的方法,但是這些方法同時也減弱了信號。“就像化療在殺死癌細胞的同時也殺死了健康細胞。”團隊對噪聲的起源進行研究後發現,與芯片相連光纖的黑體輻射是背景噪聲的主要來源。在此基礎上,他們研發出片上集成低溫濾波器和光纖端面低溫濾波器兩種暗計數抑制關鍵技術。

  “新方法极大降低了杀死正常细胞的概率,专杀‘癌细胞’,是一种靶向治疗。”尤立星这样比喻。据悉,采用该方法的超低暗计数SNSPD系统探测效率可以在暗计数1赫兹条件下达到80%,居国际领先水平。目前该技术已获得了中、美、日三国專利授权。

  在我國高性能SNSPD器件技術不斷前進的過程中,潘建偉團隊先後創造了404公裏可抵禦黑客攻擊的光纖量子密鑰分發、量子隨機數發生器等多項國際領先的成果,量子密鑰分發成果還入選“兩院院士評選2014年中國十大科技進展新聞”。2015年,潘建偉再次提供用戶證明:“上海微系統所研發的SNSPD系統徹底解決了我國高性能SNSPD技術的有無問題,性能指標達到了國際先進水平,爲我國量子信息領域的可持續發展提供了關鍵技術支撐。”

  SNSPD在效率等性能上的絕對優勢能夠推動其在量子通信、光量子計算、激光雷達、深空通信等多個領域拓展應用。在中科院新時期“面向國民經濟主戰場”的辦院方針以及國家“雙創”政策鼓勵下,上海微系統所孵化成立了小型高科技公司,開展SNSPD技術的産業化運作。尤立星表示,目的是要解決國家的應用需求,通過市場化方式實現高科技的自我生存和技術叠代,在科研與産業之間搭建一座橋梁。

  (原载于《科技日报》 2019-09-10 01版)




(責任編輯:侯茜)

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