中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員尤立星團隊利用無損介質(zhì)鏡面結(jié)合三明治結(jié)構(gòu)超導(dǎo)納米線，實現(xiàn)了NbN材料超導(dǎo)納米線單光子器件（SNSPD）98%的探測效率，再次創(chuàng)造了NbN SNSPD探測效率的新的世界紀(jì)錄。

100%系統(tǒng)探測效率（SDE）是單光子探測器發(fā)展的最終目標(biāo)，在量子基礎(chǔ)理論驗證和量子信息科技中具有應(yīng)用價值。SNSPD憑借高探測效率、低暗計數(shù)、低時間抖動等性能指標(biāo)，在量子通信、量子計算、深空光通信、生物熒光成像等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動了量子信息技術(shù)和其他前沿科學(xué)的發(fā)展。對SNSPD來說，實現(xiàn)100%效率的關(guān)鍵難點在于，需同時實現(xiàn)接近100%的本征探測效率和吸收效率。由于二者之間的糾纏制衡關(guān)系，相比于其他低Tc的超導(dǎo)材料（如WSi），高Tc的NbN材料SNSPD實現(xiàn)高SDE的難度更大。2017年，研究人員通過工藝優(yōu)化，首次報道了基于小型閉合循環(huán)制冷機，2.1 K工作溫度下，NbN-SNSPD系統(tǒng)探測效率（1550 nm工作波長）可超過90%；2019年，研究人員發(fā)明了離子注入等手段，首次打破了NbN本征探測效率和吸收效率的制衡關(guān)系，再次實現(xiàn)了90%探測效率SNSPD器件，為極限效率探測研究奠定基礎(chǔ)。

近期，經(jīng)過系統(tǒng)分析，研究團隊提出了無損介質(zhì)鏡面加三明治超導(dǎo)納米線的器件架構(gòu)，再次打破了NbN SNSPD器件的本征探測響應(yīng)和光學(xué)吸收效率的制衡關(guān)系，實現(xiàn)了兩者的同時提升。在0.8 K工作溫度，1590 nm波長實現(xiàn)了98%的系統(tǒng)探測效率，在1530-1630 nm波長范圍內(nèi)的系統(tǒng)效率超過95%。該類型的探測器還顯示出對多種參數(shù)的魯棒性，例如，在2.1 K溫度下，同一批次制造的45個探測器，SDE大于80%（90%）的產(chǎn)率達73%（36%），對批量生產(chǎn)及商業(yè)化應(yīng)用具有實際意義。

圖1 （a）器件架構(gòu)示意圖；（b）傳統(tǒng)單層納米線與本文中的三明治結(jié)構(gòu)納米線；（c）器件光子響應(yīng)和光學(xué)吸收的制衡關(guān)系

圖2 （a）器件效率隨偏置電流變化關(guān)系；（b）器件在不同波段下的探測效率和仿真結(jié)果

相關(guān)研究成果以Detecting single infrared photons toward optimal system detection efficiency（《最優(yōu)效率紅外單光子探測》）為題，在線發(fā)表在Optics Express上，博士研究生胡鵬為論文第一作者，副研究員李浩和尤立星為論文的通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目“高性能單光子探測技術(shù)”、國家自然科學(xué)基金、上海市科委量子專項、上海市啟明星、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人、中科院青年創(chuàng)新促進會等的支持。

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