上海微系统所成功研制移动式高效率超导单光子探测系统

近日，中国科学院上海微系统所李浩、尤立星团队和赋同量子科技（浙江）有限公司合作，成功研制了基于小型液氦杜瓦（工作温度4.2K）、在1550nm波段系统探测效率超过70%的移动式超导单光子探测系统，为未来开展基于移动平台（机载、车载等）的高性能单光子探应用铺平了道路。相关研究成果以《在1550nm波段探测效率超过70%的移动式超导条带光子探测系统（Mobile superconducting strip photon detection system with efficiency over 70% at a 1550 nm wavelength）》为题，发表在Optics Express上。

超导条带光子探测器（SSPD：Superconducting strip photon detector）作为高性能的单光子探测器，广泛地应用于量子信息和弱光探测等领域，有力地推动了相关领域的科技进步。然而SSPD的综合探测性能显著地依赖于器件的工作温度，温度越低，系统探测效率越高。迄今为止，高效率的SSPD系统通常需要使用GM制冷机(T≤2.5 K)、吸附式制冷机(T≤0.85 K)甚至更低温度的制冷机，这些系统的质量、体积、功耗等成为了限制SSPD在机载等移动平台应用的关键原因。如果能在4.2K工作温度实现高效率SSPD，便可以利用小型液氦杜瓦构建小型、低功耗、短时工作的超导单光子探测系统，为无人机、航空等移动平台应用提供可行的解决方案。

SSPD的光响应性能与超导薄膜材料的无序度密切相关，利用高无序超导薄膜材料调控技术实现面电阻更高的超导薄膜材料，增强SSPD的探测灵敏度是提升SSPD工作温度的方法之一。在本项目中，研究人员利用了面电阻超过600Ω的NbTiN超导薄膜材料实现了4.2K工作温度近饱和探测效率的SSPD。同时研发制造了SSPD专用的小型液氦杜瓦，结合基于电池的低功耗电路模块，实现了探测效率超过70%的移动式单光子探测系统。

图：（左）液氦杜瓦的系统图；（右）移动式SSPD系统探测效率和暗计数性能曲线

论文第一作者为上海微系统所副研究员张孝富，第二作者为上海微系统所博士研究生马若岩。通讯作者为上海微系统所张孝富、尤立星。该研究得到了国家自然科学基金、上海市扬帆计划等项目的支持。

论文链接：
https://doi.org/10.1364/OE.501552