重要成果！单片集成的百光子数探测器背后的英雄——兼容低温强磁场纳米精度位移台

单光子探测器（SPD）是量子光学和量子信息领域研究的重要课题。常用的单光子探测器件主要有光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）及超导纳米线单光子探测（SNSPD）等。因超导纳米线单光子探测在1550 nm工作波长的探测效率超过90%，正逐渐成为使用较为广泛的单光子探测技术之一。

目前常用的提升超导纳米线探测器的光子数分辨率方法是时间复用或空间复用技术，最多能实现集成24个纳米线，最高光子数分辨率也限制在24。近期，美国耶鲁大学的唐红星教授团队提出一种“时空复用”方案，在面积仅为4 mm×1 mm的光波导芯片上单片集成 100 个超导纳米线探测器，同时实现了最高达 100 个光子数的分辨率。相关论文以《A 100-pixel photon-number-resolving detector unveiling photon statistics》为题发表在 Nature Photonics 上^[1]。耶鲁大学电气工程系成日盛博士和周宜雨博士为论文的共同第一作者，唐红星教授为该论文的通讯作者。该研究不仅解决了片上集成探测器的可扩展性问题，也提出了一种更简便的电路读出方案。

图一. 片上100个光子数探测器示意图

超导纳米线单光子探测器有诸多优异的性质，但其“短板”也十分明显——缺少光子数分辨能力，只能分辨 0 或者 1 个光子数。该团队的研究解决了传统超导纳米线探测器光子数分辨率不足的问题。采用的时空复用技术可以将 100 个纳米线探测器集成在4 mm×1 mm的微小芯片面积内，在获得较高的光子数分辨率的情况下，大大的降低整个系统的复杂度。并且只需要一根微波同轴电缆，就可以同时读取 100 个纳米线探测器的状态。因此，整个外围电路和电信号处理的复杂度显著降低。而且，该方案具有很强的可扩展性，通过改进微波延迟线的设计和使用其它新型材料作为其介质层，未来有望将集成探测器的阵列数目进一步提高至 1000 以上。

图二. 时空复用原理示意图（Nature Photonics）

值得指出的是，在整个实验中最为关键的是在低温环境中将光波导芯片超导纳米线探测器的电极与多通道射频探针接触，并在低温下将光纤阵列与光栅耦合器精确对准。这其中背后的英雄就是德国attocube公司提供的ANPxyz低温强磁场纳米精度位移台，系统能够在极低温环境下提供纳米级的精确位移。attocube公司生产的位移器设计紧凑，体积小巧，种类包括线性XYZ线性位移器、大角度倾角位移器、360度旋转位移器和扫描器，并以稳定而优异的性能，原子级定位精度，纳米位移步长和厘米级位移范围受到科学家的肯定和赞誉。产品广泛应用于普通大气环境和极端环境中，包括超高真空环境(5E-11mbar)、极低温环境（10 mK）和强磁场中（31 T）。

图三. 低温实验装置示意图及attocube公司的低温纳米位移台（Nature Photonics）

除上述成果外，因该团队研究的探测器同时具有超高时间分辨率以及光子数分辨率，作者沿着单个波导对超导纳米线阵列进行时空复用，首次观察到真正的热光源，并使用百光子数探测器进行探测，获得量子光子统计数据。这一结果为光子量子计算和量子计量开辟了新的途径。

参考文献：

[1] R. Cheng et al., Nature Photonics 17, 112 (2023)