單光子探測(cè)器（SPD）是量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域研究的重要課題。常用的單光子探測(cè)器件主要有光電倍增管（PMT）、雪崩光電二極管（APD）及超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)（SNSPD）等。因超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)在1550 nm工作波長(zhǎng)的探測(cè)效率超過90%，正逐漸成為使用較為廣泛的單光子探測(cè)技術(shù)之一。

目前常用的提升超導(dǎo)納米線探測(cè)器的光子數(shù)分辨率方法是時(shí)間復(fù)用或空間復(fù)用技術(shù)，最多能實(shí)現(xiàn)集成24個(gè)納米線，最高光子數(shù)分辨率也限制在24。近期，美國(guó)耶魯大學(xué)的唐紅星教授團(tuán)隊(duì)提出一種“時(shí)空復(fù)用"方案，在面積僅為4 mm×1 mm的光波導(dǎo)芯片上單片集成 100 個(gè)超導(dǎo)納米線探測(cè)器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了最高達(dá) 100 個(gè)光子數(shù)的分辨率。相關(guān)論文以《A 100-pixel photon-number-resolving detector unveiling photon statistics》為題發(fā)表在 Nature Photonics 上^[1]。耶魯大學(xué)電氣工程系成日盛博士和周宜雨博士為論文的共同第一作者，唐紅星教授為該論文的通訊作者。該研究不僅解決了片上集成探測(cè)器的可擴(kuò)展性問題，也提出了一種更簡(jiǎn)便的電路讀出方案。

圖一. 片上100個(gè)光子數(shù)探測(cè)器示意圖

超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器有諸多優(yōu)異的性質(zhì)，但其“短板"也十分明顯——缺少光子數(shù)分辨能力，只能分辨 0 或者 1 個(gè)光子數(shù)。該團(tuán)隊(duì)的研究解決了傳統(tǒng)超導(dǎo)納米線探測(cè)器光子數(shù)分辨率不足的問題。采用的時(shí)空復(fù)用技術(shù)可以將 100 個(gè)納米線探測(cè)器集成在4 mm×1 mm的微小芯片面積內(nèi)，在獲得較高的光子數(shù)分辨率的情況下，大大的降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度。并且只需要一根微波同軸電纜，就可以同時(shí)讀取 100 個(gè)納米線探測(cè)器的狀態(tài)。因此，整個(gè)外圍電路和電信號(hào)處理的復(fù)雜度顯著降低。而且，該方案具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，通過改進(jìn)微波延遲線的設(shè)計(jì)和使用其它新型材料作為其介質(zhì)層，未來有望將集成探測(cè)器的陣列數(shù)目進(jìn)一步提高至 1000 以上。

圖二. 時(shí)空復(fù)用原理示意圖（Nature Photonics）

值得指出的是，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中最為關(guān)鍵的是在低溫環(huán)境中將光波導(dǎo)芯片超導(dǎo)納米線探測(cè)器的電極與多通道射頻探針接觸，并在低溫下將光纖陣列與光柵耦合器精確對(duì)準(zhǔn)。這其中背后的英雄就是德國(guó)attocube公司提供的ANPxyz低溫強(qiáng)磁場(chǎng)納米精度位移臺(tái)，系統(tǒng)能夠在極低溫環(huán)境下提供納米級(jí)的精確位移。attocube公司生產(chǎn)的位移器設(shè)計(jì)緊湊，體積小巧，種類包括線性XYZ線性位移器、大角度傾角位移器、360度旋轉(zhuǎn)位移器和掃描器，并以穩(wěn)定而優(yōu)異的性能，原子級(jí)定位精度，納米位移步長(zhǎng)和厘米級(jí)位移范圍受到科學(xué)家的肯定和贊譽(yù)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于普通大氣環(huán)境和極duan環(huán)境中，包括超高真空環(huán)境(5E-11mbar)、極低溫環(huán)境（10 mK）和強(qiáng)磁場(chǎng)中（31 T）。

圖三. 低溫實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及attocube公司的低溫納米位移臺(tái)（Nature Photonics）

除上述成果外，因該團(tuán)隊(duì)研究的探測(cè)器同時(shí)具有超高時(shí)間分辨率以及光子數(shù)分辨率，作者沿著單個(gè)波導(dǎo)對(duì)超導(dǎo)納米線陣列進(jìn)行時(shí)空復(fù)用，觀察到真正的熱光源，并使用百光子數(shù)探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，獲得量子光子統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這一結(jié)果為光子量子計(jì)算和量子計(jì)量開辟了新的途徑。

參考文獻(xiàn)：

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

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