具有10光子分辨能力的超导微米条带光子探测器

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的尤立星、李浩团队在增强超导条带光子探测器（SSPD）的光子数分辨能力方面取得了重要进展，首次在微米线SSPD上实现10光子数分辨和实时光子数读出演示。相关成果以《具备10光子数分辨能力的大电感超导微米条带光子探测器（Large-inductance superconducting microstrip photon detector enabling 10 photon-number resolution）》为题在线发表于Advanced Photonics（IF: 17.3）；并被国际光学工程学会（SPIE）在官网上做题为“Unlocking quantum precision: Expanded superconducting strips for enhanced photon-counting accuracy”的新闻专题报道。

光子数分辨探测（PNR）是量子光学的关键使能技术。传统纳米条带SSPD可以高效率、高速度地探测单光子，但是仅具有微弱的光子数分辨能力，即使采用改进的低温读出电路也只能分辨3~4个光子。上海微系统所SSPD团队深入研究了影响SSPD光子数分辨能力的因素，通过增加条带的宽度和电感可以调控光子响应脉冲的上升沿斜率，获得了增强的光子数分辨能力。通过将超导条带加宽至微米级，在没有使用低温放大器情况下仍能获得10个光子数分辨能力。此外，研究团队还提出了一种双通道时间相关读出装置，以实现实时光子数读出，并将数据采集量降低了3个数量级。该结果凸显了超导条带光子探测器在实现高保真度和大动态范围光子数分辨方面的潜力，有望进一步推动基于SSPD的量子信息技术发展。

图1.具有光子数分辨能力的超导微米条带光子探测器示意图

图2.超导微米条带光子探测器的结构和响应信号上升沿

图3.超导微米条带光子探测器的光子数分辨结果

论文第一作者为上海微系统所博士后孔令东和博士研究生张天柱，通讯作者为孔令东博士和尤立星研究员。该研究得到了国家自然科学基金（62301541、61971408、61827823和12033007），以及上海市扬帆计划（23YF1456200）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1117/1.AP.6.1.016004