本文由论文作者团队撰稿
导读
超导纳米线探测器（SNSPD）是一种高性能的单光子探测器，广泛应用于量子信息、远距离探测等前沿领域。随着集成光量子技术的迅猛发展，SNSPD凭借其卓越的性能和纳米级的尺寸，成为构建光量子芯片的关键部件之一。其中，片上集成的探测效率是核心指标，直接影响片上可操控光量子比特的数目和规模。近日，南京大学超导电子学研究所与北京大学物理学院联合提出了一种创新方法，即在光波导上集成两个串联的梳状超导纳米线，成功实现了超过99%的片上探测效率。
相关研究成果以 “Surpassing 99% detection efficiency by cascading two superconducting nanowires on one waveguide with self-calibration”为题发表于Light: Science & Applications。李振国、周易瑾与茆俊共同第一作者，赵清源教授及王剑威教授担任共同通讯作者，此研究项目得到了吴培亨院士和龚旗煌院士的鼎力支持与悉心指导。
集成光量子芯片技术成功实现了光量子态在芯片上的制备、操控及探测，从而极大地推动了量子通信、量子计算以及量子信息技术的飞速发展。在光量子芯片体系中，单光子探测器发挥着举足轻重的作用，它通过精确探测单光子统计特性和测量光子量子态，确保量子信息的高效读取。探测效率直接反映了探测器捕捉光子的概率。面对n个多光子符合探测任务时，符合探测概率为探测效率的n次方。即便是微小的探测效率损失，随着n值的增加，符合探测效率也会急剧下滑。因此，在大规模光量子计算场景中，为了提升多光子符合探测概率，必须实现片上集成的大规模单光子探测器阵列，且每个探测器的探测效率需逼近100%的理论极限。
南京大学赵清源教授联合北京大学王剑威教授，联合提出一种新型的梳状结构超导纳米线片上集成探测方案。如图1.b所示，梳状纳米线将拐角排列于光波导外部，有效消除了传统发夹型结构（图1.a）中纳米线拐角处的探测死区损耗。然而，该梳状结构导致传统的自下而上平面加工工艺因缺乏支撑结构而无法适用。为此，研究团队采用了混合集成技术方案，将探测器制备成柔性薄膜器件，并将其贴合至波导表面，成功实现了高效光耦合。
图1：(a) 发夹纳米线结构，拐角位于波导光入射端，虽能吸收光子，但无法形成探测信号，导致额外的效率损耗；(b) 梳状纳米线结构，拐角置于波导外围，不吸收波导中传输的光子，彻底消除了拐角损耗；(c) 异质集成光波导超导探测器的光学显微镜图，两枚纳米线探测器紧密贴合在同一波导上；(d) 超导纳米线局部的电子显微镜图
同时，为追求极限效率并实现片上自校准，两个性能高度匹配的探测器被紧密贴合在同一波导上。如图1.c所示，后一个探测器能够再次捕捉前一个探测器未吸收的光子，从而实现片上级联探测。此外，得益于混合集成技术的应用，探测器的吸收率可进行精准的原位测量，有效避免了光纤至波导耦合损耗引起的校准不确定性。结合低温光子计数校准技术，验证了片上级联探测效率高达99.73%。
图2：展示了级联探测器的片上单光子探测效率测试结果。(a)图与(b)图分别显示了D1和D2的光子计数随偏置电流的变化曲线，明显可见计数趋于饱和，这表明纳米线的本征量子效率接近100%。(c)图与(d)图则分别为D1和D2探测器的计数率统计直方图(TCR为总计数率，DCR为暗计数率，两者差为光子计数率)。由于D2位于D1之后，主要吸收并探测D1未能探测的光子，因此其计数率显著低于D1。通过计算两者的比例，进一步分析可得，单个探测器的效率为97.81%，而级联探测的联合探测效率高达99.73%
总结与展望
本文介绍了一种在光芯片上集成超导纳米线单光子探测器的创新方案。该方案通过结构优化，成功将探测效率提升至99%以上；此外，采用混合集成技术，使其不仅适用于铌酸锂、氮化硅等低损耗光芯片，还能进一步获得更高的探测效率。展望未来，该联合团队将持续致力于光量子芯片的集成化研究，攻克片上高保真光子数分辨、大阵列读出、片上探测信号反馈等技术难题，为光量子计算芯片提供高性能的探测解决方案。（来源：中国光学微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02031-5
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