具備10個光子數(shù)分辨能力的大電感超導(dǎo)微米條帶光子探測器

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的尤立星、李浩團隊在增強超導(dǎo)條帶光子探測器（SSPD）的光子數(shù)分辨能力方面取得了重要進展，首次在微米線SSPD上實現(xiàn)10個光子數(shù)分辨和實時光子數(shù)讀出演示。相關(guān)成果以《具備10個光子數(shù)分辨能力的大電感超導(dǎo)微米條帶光子探測器（Large-inductance superconducting microstrip photon detector enabling 10 photon-number resolution）》為題在線發(fā)表于Advanced Photonics（IF: 17.3）期刊；并被國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE）在官網(wǎng)上做題為“Unlocking quantum precision: Expanded superconducting strips for enhanced photon-counting accuracy”的新聞專題報道。

圖1 具有10個光子數(shù)分辨能力的超導(dǎo)微米條帶光子探測器示意圖

光子數(shù)分辨探測（PNR）是量子光學(xué)的關(guān)鍵使能技術(shù)。傳統(tǒng)納米條帶SSPD可以高效率、高速度地探測單光子，但是僅具有微弱的光子數(shù)分辨能力，即使采用改進的低溫讀出電路也只能分辨3~4個光子。上海微系統(tǒng)所SSPD團隊深入研究了影響SSPD光子數(shù)分辨能力的因素，通過增加條帶的寬度和電感可以調(diào)控光子響應(yīng)脈沖的上升沿斜率，獲得了增強的光子數(shù)分辨能力。

通過將超導(dǎo)條帶加寬至微米級，在沒有使用低溫放大器情況下仍能獲得10個光子數(shù)分辨能力。此外，研究團隊還提出了一種雙通道時間相關(guān)讀出裝置，以實現(xiàn)實時光子數(shù)讀出，并將數(shù)據(jù)采集量降低了3個數(shù)量級。該結(jié)果凸顯了超導(dǎo)條帶光子探測器在實現(xiàn)高保真度和大動態(tài)范圍光子數(shù)分辨方面的潛力，有望進一步推動基于SSPD的量子信息技術(shù)發(fā)展。

圖2 超導(dǎo)微米條帶光子探測器的結(jié)構(gòu)和響應(yīng)信號上升沿

圖3 超導(dǎo)微米條帶光子探測器的光子數(shù)分辨結(jié)果

該論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士后孔令東和博士研究生張?zhí)熘?，通訊作者為孔令東博士和尤立星研究員。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（62301541、61971408、61827823和12033007），以及上海市揚帆計劃（23YF1456200）的支持。

審核編輯：劉清