面向空間應用的超導單光子探測技術研究獲進展

發布時間：2021-06-01 11:52 原文鏈接：面向空間應用的超導單光子探測技術研究獲進展

　　近日，中國科學院理化技術研究所梁驚濤團隊與中科院上海微系統與信息技術研究所尤立星團隊合作，在面向空間應用的超導單光子探測器（SNSPD）技術領域取得進展，實現了通信波段最大探測效率93%的新紀錄，為我國開展基于超導單光子探測器的深空通信、空間量子信息等應用奠定了基礎。5月20日（北京時間），相關研究成果以《系統探測效率達到93%的基于可空間應用制冷機的超導單光子探測器（Superconducting single-photon detector with a system efficiency of 93% operated in a 2.4 K space-application compatible cryocooler）》為題，以快報（Letter）形式，在線發表在Superconductor Science and Technology上。

　　超導納米線單光子探測器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作為高性能的單光子探測器，廣泛地應用于量子信息、激光雷達、深空通信等領域，推動了相關領域的科技進步。迄今為止，所有的SNSPD均只在地面實現應用驗證。如果能在空間應用中采用SNSPD，有望推動空間光學天文觀測、深空光通信、空間量子信息等技術的跨越式發展。而制約SNSPD空間應用的主要因素是制冷技術。SNSPD通常需要在液氦（4.2K）以下溫區工作，典型的解決方案是采用商用的G-M二級閉合循環制冷機。然而，這類制冷機采用油潤滑壓縮機，冷頭有運動部件，且受到體積、重量功耗制約，無法實現空間應用。

　　瞄準空間應用對高性能單光子探測技術的迫切需求，科研人員發展面向空間應用的小型液氦溫區制冷機技術，并期望將其和高性能SNSPD結合以實現可空間應用的高性能SNSPD系統。2017年1月，美國國家標準與技術研究院（NIST）首次報道基于三級脈管加JT節流技術的小型制冷機，其JT的壓縮機尚未成功研制【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】。2017年9月，英國格拉斯哥大學報道了可空間應用的基于斯特林+JT節流技術的小型制冷機，最低溫度只能達到4.2K。利用該制冷機實現了SNSPD系統，但性能有限（1310nm波長/暗計數KHz/探測效率僅20%），與半導體探測器性能相當【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】。理化所梁驚濤團隊和上海微系統所尤立星團隊合作開展面向空間應用的SNSPD系統研發。理化所研發出可實現空間應用的二級脈管+JT節流技術小型制冷機，最低無負載工作溫度可達到2.6K，微系統所研發了出高性能的SNSPD。團隊聯合攻克一系列集成技術難題后，首次實現了1550nm工作波長探測效率超過50%的SNSPD系統【Optics Express 26: 2965 (2018)】，展示了SNSPD相對于傳統半導體單光子探測器在空間應用中的性能優勢及潛力。

　　2020年，理化所依托在空間制冷領域的持續技術創新，進一步優化制冷機，降低制冷機的體積和最低工作溫度（圖1）。同時，上海微系統所利用三明治結構超導納米線實現SNSPD 98%的效率紀錄【Optics Express 28: 36884 (2020)】。雙方在此基礎上再次合作，實現了最大探測效率93%的可空間應用的超導單光子探測系統（圖2），刷新了我國保持了兩年多的系統探測效率紀錄。該成果對于SNSPD的空間應用具有廣泛而深遠的意義。

　　上海微系統所博士研究生胡鵬和理化所助理研究員馬躍學為論文第一作者，上海微系統所研究員李浩、尤立星以及理化所副研究員劉彥杰為論文通訊作者。研究工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科學技術委員會、上海市啟明星項目、上海市優秀學術帶頭人計劃，以及中科院青年創新促進會等的資助。