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: 我国单光子探测器探测效率超百分之九十

来源:科技日报2019-09-10 09:34
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  侯树文 记者 王 春

  把“命门”掌握在自己手中

  作为国际战略新兴技术,量子信息领域面临着激烈的国际竞争,其核心元器件技术受到国际禁运的影响。高性能单光子探测器是量子调控中不可或缺的关键核心部件,也曾在国际禁运之列。

  “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。”中国科学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。

  单光子探测器对量子信息领域到底有多重要?尤立星打了一个比方:假设一颗水滴是水的最小单元,通常情况下水龙头打开水哗哗哗流出来,而量子调控就像用水龙头控制每一颗水滴滴下来,单光子探测器相当于探测到滴下来的每一颗水滴。“我们就要把探测到的单个光子转化为电信号,当前的探测水平是,如果发射100个光子,我们可以探测到90个。”

  SNSPD特种兵与量子信息国家队的配合战

  尤立星于2007年回国,在上海微系统所开展低温超导纳米线单光子探测器(SNSPD)技术的研发。该技术利用超导纳米材料对光敏感的特性,来实现对单个光子的探测。

  单光子探测器的研发是一个非常复杂的系统工程,从材料生产、加工到系统集成必须从零开始探索。在还没有自主掌握SNSPD核心技术之前,我国进行量子通信试验所使用的单光子探测器,效率只有20%,且噪声极大,与国际最高水平相差甚远。缺乏高性能单光子探测器已经严重影响到我国量子信息领域科学家与国外同行的竞争。

  尤立星表示,我国单光子探测器的起步和发展是从用户需求中探寻出科研方向,第一步就是要实现器件的实用性和可靠性。

  在与中国科学技术大学微尺度国家实验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。”

  关键技术突破推动我国SNSPD科研迈向产业化

  就在我国SNSPD从无到有,实现国内自主可控的同时,国际上单光子探测器技术水平也有了突飞猛进的发展。我国量子信息领域的快速发展也对SNSPD探测效率提出了更高需求。

  尤立星介绍,2013年,美国采用硅化钨(WSi)材料研发的SNSPD探测效率最高可达93%,而我国当时采用氮化铌(NbN)材料制备的SNSPD探测效率只有4%。“WSi材料制备的器件需要比NbN更低的工作温度,因此低温制冷装备的成本也要成倍地增加。”尤立星团队坚持在利用NbN材料开展SNSPD研发的方向上继续前进。经过4年左右的钻研,2016年,团队终于在国际上率先实现NbN SNSPD器件在光纤通信1550纳米波长的探测效率超过90%,并持续保持NbN SNSPD器件效率世界纪录。

  “背景暗计数抑制是降低探测系统噪声的关键。”尤立星讲到,所谓暗计数就是噪声,噪声越低,系统信噪比就越高。当时国外也有一些降低噪声的方法,但是这些方法同时也减弱了信号。“就像化疗在杀死癌细胞的同时也杀死了健康细胞。”团队对噪声的起源进行研究后发现,与芯片相连光纤的黑体辐射是背景噪声的主要来源。在此基础上,他们研发出片上集成低温滤波器和光纤端面低温滤波器两种暗计数抑制关键技术。

  “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、日三国专利授权。

  在我国高性能SNSPD器件技术不断前进的过程中,潘建伟团队先后创造了404公里可抵御黑客攻击的光纤量子密钥分发、量子随机数发生器等多项国际领先的成果,量子密钥分发成果还入选“两院院士评选2014年中国十大科技进展新闻”。2015年,潘建伟再次提供用户证明:“上海微系统所研发的SNSPD系统彻底解决了我国高性能SNSPD技术的有无问题,性能指标达到了国际先进水平,为我国量子信息领域的可持续发展提供了关键技术支撑。”

  SNSPD在效率等性能上的绝对优势能够推动其在量子通信、光量子计算、激光雷达、深空通信等多个领域拓展应用。在中科院新时期“面向国民经济主战场”的办院方针以及国家“双创”政策鼓励下,上海微系统所孵化成立了小型高科技公司,开展SNSPD技术的产业化运作。尤立星表示,目的是要解决国家的应用需求,通过市场化方式实现高科技的自我生存和技术迭代,在科研与产业之间搭建一座桥梁。

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