在光纤通信纳米工作波长,美国国家标准与技术研究所等人采用极低温超导材料制备的SNSPD,实现了高探测效率达。然而,WSi-SNSPD通常工作在以下工作温度,必须采用昂贵复杂的深低温制冷机(比如稀释制冷机等),这极大限制了这类高性能单光子探测器的应用。
国内外众多研究人员在努力研究采用更高超导转变温度的NbN材料的SNSPD,以期在以上工作温度实现高探测效率,采用小型化用户友好的闭合循环制冷机就可以工作,可以大大降低使用成本。经过十多年的努力,NbN-SNSPD探测效率高只达到左右,和WSi-SNSPD探测效率有明显差距。要想达到以上的探测效率,需要同时对多个不同的参数(光耦合效率、光吸收效率、本征探测效率等)进行优化,到目前为止尚未有成功报道。
中科院上海微系统所(中科院超导电子学创新中心)的尤立星研究员团队开展超导单光子探测研究近10年,在探测器研制和应用方面取得了多项国际领先成果,受到了国内外广泛关注。和中科大潘建伟院士团队合作,曾多次创造量子信息领域的实验的世界纪录,并保持了目前光纤量子通信404公里世界纪录。
该团队的新成果揭示:基于小型闭合循环制冷机,2.1K工作温度下,NbN-SNSPD系统探测效率(1550 nm工作波长)可以超过90%。随着温度降低到1.8K,探测效率可以进一步提升到92%。SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 2017年第12期以封面文章报道了这一发现 。日本情报通信研究机构SNSPD研究学者Shigehito Miki在杂志同期以“Quest towards ultimate performance in superconducting nanowire single photon detectors”为题进行了评述。论文作者为张伟君助理研究员,论文通信作者为尤立星研究员。
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论文发表后收到了科技届广泛关注。众多国外科技媒体以“Practical superconducting nanowire single photon detector with record detection efficiency over 90 percent”或“Researchers develop practical superconducting nanowire single photon detector with record detection efficiency”等标题报道或转载该成果。中国科学院英文网站也转载了相关报道。
本文工作获得了国家重点研发计划项目“高性能单光子探测技术”(2017YFA0304000)、中科院B类战略先导专项“超导电子器件应用基础研究”、自然科学基金以及上海市科委等项目资助。
(原标题:上海微系统所国际实现实用化超导单光子探测器性能突破90%)