近日，中国科学院上海微系统所李浩、尤立星团队等研制出基于小型液氦杜瓦（工作温度4.2K）、在1550nm波段系统探测效率超过70%的移动式超导单光子探测系统，为未来开展基于移动平台（机载、车载等）的高性能单光子探应用铺平了道路。
相关研究成果以《在1550nm波段探测效率超过70%的移动式超导条带光子探测系统》为题，发表在《光学快报》（Optics Express）上。
实现最大探测效率93%的新世界纪录
2021年，中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星团队与中科院理化技术研究所梁惊涛团队，打破其2018年创造的纪录，实现了通信波段最大探测效率93%的新世界纪录，为我国开展基于超导单光子探测器（SNSPD）的深空通信、空间量子信息等应用奠定了基础。该研究成果在线发表于《超导科学与技术》。
SNSPD作为一种高性能的单光子探测器，已经广泛应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域。然而，迄今为止，只在地面实现了应用验证，而制约SNSPD空间应用的主要因素是制冷技术。
SNSPD通常需要在液氦（4.2K）以下温区工作，典型的解决方案是采用商用二级机械制冷机。但大多制冷机都采用了油润滑压缩机，冷头有运动部件，而且受到体积、重量功耗制约，无法实现空间应用。因此，全球科研人员一直在努力发展面向空间应用的小型液氦温区制冷机技术，并期望将其和高性能SNSPD结合以创建可空间应用的高性能SNSPD系统。2018年，中科院上海微系统与信息技术研究所研发了高性能SNSPD，中科院理化技术研究所研发了可空间应用的二级脉管+JT节流技术小型制冷机。双方联合在国际上首次创建了探测效率超过50%的SNSPD系统。
此次，该联合团队在空间制冷领域持续创新，制冷机的体积进一步缩小，最低工作温度得到了进一步降低，最终创建了最大探测效率93%的可空间应用的SNSPD系统，刷新了我国保持了两年多的效率纪录。
为什么需要研究超导单光子探测系统？
中科院上海微系统所超导电子实验室负责人尤立星解释：“爱因斯坦提出的光电效应告诉我们，光的能量是量子化的，单光子是光能量的最小单位，因此光探测的极限就是实现单光子探测。”单光子探测技术是量子信息和弱光探测领域的核心技术。超导纳米线单光子探测（SSPD）技术作为综合性能最好的单光子探测技术，具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、计数率高、响应频谱宽等优势。自2001年问世以来，SSPD技术已经成为超导电子学和量子信息领域的一个热点研究方向。
因为在量子信息领域的战略应用意义，高性能SSPD在发展初期一直属于美国对外封锁技术，严重制约了我国量子科技的发展。在没有自主掌握SSPD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。2007年，尤立星来到中科院上海微系统所开展超导单光子探测研究工作，并担任国家重点研发计划“高性能单光子探测技术”项目（2017-2022）负责人。“解决核心元器件SSPD自主研发是我回国工作的主要目标。”尤立星说。
组建团队、筹措经费、申请项目、科研关、获取用户的认可……几乎没有任何基础，尤立星和同事们一切只能从零开始。SSPD的研发是一个非常复杂的系统工程，从薄膜生长、微纳加工、测试再到系统集成，每样都需要做到极致。“从零开始探索，到真正能够给用户提供使用产品，我们差不多花了十年时间。前五年打通整个产品研发流程，后五年获取用户信任度。”尤立星介绍，“中科大潘建伟团队构建的量子计算原型机‘九章’，其中100多个探测器就是用我们的，真正解决了核心元器件的自主化问题。”
说到为“九章”提供100多个高性能探测器，尤立星称就像“打了一场战役”。在“九章”研发关键阶段，2019年谷歌宣称通过量子计算机“悬铃木”率先实现“量子称霸”。为了在更短时间内超越谷歌，中国需要在5个月内研发出高性能探测器装配“九章”。当时正值新冠肺炎疫情初期，上海微系统所研发团队需要完成从研发到工程化开发的所有工作——上海做器件，浙江做测试组装，最后到安徽做九章的实验。最终，通过长三角各方的同心协力，上海微系统所打赢了这场战役。
移动式高效率超导单光子探测系统问世
超导条带光子探测器（SSPD，Superconducting strip photon detector）作为高性能的单光子探测器，广泛应用于量子信息和弱光探测等领域，推动了相关领域的科技进步。
然而，SSPD的综合探测性能依赖于器件的工作温度（温度越低，系统探测效率越高）。迄今为止，高效率的SSPD系统通常需要使用GM制冷机（T≤2.5 K）、吸附式制冷机（T≤0.85 K）甚至更低温度的制冷机。这些系统的质量、体积、功耗等成为限制SSPD在机载等移动平台应用的关键原因。若能在4.2K工作温度实现高效率SSPD，便可利用小型液氦杜瓦构建小型、低功耗、短时工作的超导单光子探测系统，为无人机、航空等移动平台应用提供可行的解决方案。
SSPD的光响应性能与超导薄膜材料的无序度密切相关。利用高无序超导薄膜材料调控技术实现面电阻更高的超导薄膜材料，增强SSPD的探测灵敏度是提升SSPD工作温度的方法之一。本研究利用面电阻超过600Ω的NbTiN超导薄膜材料实现了4.2K工作温度近饱和探测效率的SSPD。同时，该工作研发制造了SSPD专用的小型液氦杜瓦，结合基于电池的低功耗电路模块，实现了探测效率超过70%的移动式单光子探测系统。
当下，上海微系统所的超导单光子探测系统不仅在科学方面不断突破，还实现了国产高端科研仪器SSPD的商业化。已为国内外用户提供100余套SSPD系统，国内市场占有率逾7成，成为我国高端科研仪器国产化的典范。
“上海，海纳百川，国际化、效率高、包容性强，正和我们研发的高效率SSPD器件与系统一样，需要各个行业、各个领域优秀的科研人员，大家一起高效地协同工作，最终达到了国际最好水平，这也代表了上海的效率和能力水平。”尤立星说。
文章来源： 中科院之声，中富海，上观新闻