長久以來，光子數(shù)分辨PNR探測器領(lǐng)域始終面臨著一個難題：如何在實現(xiàn)高光子數(shù)分辨能力的同時，兼顧高探測效率、低暗計數(shù)、高響應(yīng)速度等實用化指標？

2025年，中科院上海微系統(tǒng)所SNSPD小組在《ACS Photonics》發(fā)表的研究成果——系統(tǒng)探測效率達98%、光子數(shù)分辨能力高達32的PNR超導納米線單光子探測器(PNR SNSPD)，終于打破這一困境，為量子光學研究注入新的活力。

一、PNR 探測器

要理解PNR探測器的重要性，我們先從量子光學的研究需求說起。在量子世界中，光子的行為充滿了隨機性和不確定性，而許多關(guān)鍵的量子效應(yīng)，比如光子的聚束與反聚束效應(yīng)、量子態(tài)的疊加與糾纏等，都需要通過精確測量光子數(shù)量來驗證。以高斯玻色采樣（GBS）為例，作為實現(xiàn)量子計算優(yōu)勢的重要途徑之一，它需要精確統(tǒng)計輸出光子的數(shù)量分布，以此來體現(xiàn)量子計算相較于經(jīng)典計算的速度優(yōu)勢。

然而，打造一款高性能的PNR探測器并非易事。理想的PNR探測器需要滿足多個嚴苛條件：

1.高探測效率：盡可能捕捉到每一個入射光子，減少光子損失；

2.高光子數(shù)分辨能力：準確區(qū)分不同數(shù)量的入射光子；

3.低暗計數(shù)：在沒有光子入射時，盡量減少虛假計數(shù)，避免干擾實驗結(jié)果；

4.快響應(yīng)速度：快速捕捉光子的到達時間和數(shù)量信息；

5.低時間抖動：減少光子到達時間的測量誤差，提高時間分辨能力。

此前，實驗室或者市面上的PNR探測器或多或少存在短板。比如超導過渡邊緣傳感器（TES），雖然具備一定的光子數(shù)分辨能力，但計數(shù)率通常低于1 MHz、時間抖動在納秒級別，還需要100 mK的超低溫環(huán)境，難以滿足實際實驗需求；傳統(tǒng)的SNSPD雖然探測效率高、暗計數(shù)低，但通常只能區(qū)分 "有光子" 和 "無光子"，無法實現(xiàn)多光子數(shù)分辨。雖然通過時間、空間復用等手段可以實現(xiàn)一定的光子數(shù)分辨能力，但光子數(shù)分辨數(shù)目往往小于10個。這些局限性，讓 PNR 探測器的應(yīng)用范圍受到極大限制，也制約了量子光學實驗向更高精度、更復雜場景的推進。

二、突破瓶頸

面對PNR探測器領(lǐng)域的痛點，中科院上海微系統(tǒng)所SNSPD小組基于2020年開發(fā)的高探測效率SNSPD，經(jīng)過近5年時間的研發(fā)，通過創(chuàng)新的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的性能指標，完美平衡了高探測效率、高光子數(shù)分辨能力的實用化需求。

1. 三明治雙層納米線結(jié)構(gòu)：近100%探測效率的秘訣

探測效率是PNR探測器的核心指標之一，直接影響實驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。為了實現(xiàn)高探測效率，項目團隊采用了NbN/SiO?/NbN 三明治雙層超導納米線結(jié)構(gòu)，并將其置于分布式布拉格反射鏡（DBR）之上。

這種雙層納米線結(jié)構(gòu)能顯著增強對光子的吸收能力。傳統(tǒng)的單層納米線結(jié)構(gòu)在吸收光子時，部分光子可能會穿過納米線而無法被捕捉，導致探測效率損失。而雙層納米線結(jié)構(gòu)就像給光子設(shè)置了 "雙重關(guān)卡"，大大提高了光子的吸收概率。同時，DBR的存在進一步增強了光的反射和吸收，讓入射光子在探測器內(nèi)部有更多機會被納米線捕捉。

經(jīng)過實驗測試PNR SNSPD在1550 nm通信波長下，單光子系統(tǒng)探測效率（SDE）高達98%，且暗計數(shù)率僅為20 cps。這意味著，在實驗中，每100 個入射光子中，有98 個能被探測器準確捕捉，極大減少了光子損失對實驗結(jié)果的影響。

圖 1 探測器結(jié)構(gòu)與效率性能圖：（a）探測器結(jié)構(gòu)示意圖；（b）探測效率和暗計數(shù)曲線圖

2. 空間復用與分流電阻設(shè)計：32 光子分辨的核心

光子數(shù)分辨能力是PNR探測器的 "靈魂"。為了突破傳統(tǒng)SNSPD光子數(shù)分辨能力有限的瓶頸，項目團隊采用了空間復用技術(shù)，并為每個像素配備了分流電阻。將探測器的感光區(qū)域（約20 μm×20 μm）劃分為32個像素，這些像素通過串聯(lián)方式連接，每個像素都并聯(lián)一個40 Ω的分流電阻。當入射光子觸發(fā)某些像素時，像素中形成的熱點電阻會超過分流電阻的阻值，此時偏置電流會通過分流電阻產(chǎn)生輸出信號。由于不同像素的分流電阻阻值相近，輸出信號的幅度與入射光子的數(shù)量呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系 —— 入射光子數(shù)量越多，觸發(fā)的像素越多，輸出信號的幅度就越大。

通過這種設(shè)計，探測器能夠準確區(qū)分1到32個入射光子。實驗中，當入射光子的平均數(shù)量為5時，示波器上能清晰觀察到8個分離的高斯峰，分別對應(yīng)1到8個光子；通過掃描光強，最多可觀察到32個高斯峰，證明了探測器卓越的光子數(shù)分辨能力。

圖2（c）器件分辨 1-32 個光子事件波形圖。（d）1-8 個光子輸出幅度統(tǒng)計分布圖。（e）不同光子數(shù)本征預(yù)報概率，對于 1-6 個光子，準確分辨的概率超過 99%。

3. 讀出電路優(yōu)化

除了探測效率和光子數(shù)分辨能力，時間抖動和計數(shù)率也是影響PNR探測器實用化的重要因素。時間抖動過大會導致光子到達時間的測量誤差，影響時間相關(guān)實驗的精度；計數(shù)率過低則無法滿足高吞吐量實驗的需求。

為了降低時間抖動，項目團隊優(yōu)化了探測器的讀出電路，采用低溫放大器和室溫二級放大器相結(jié)合的方式，有效提高了響應(yīng)信號的信噪比。實驗結(jié)果顯示，探測器在不同光子數(shù)下均表現(xiàn)出優(yōu)異的時間抖動性能：1個光子時為382 ps，2個光子時為234 ps，32個光子時更是低至40.4 ps。在計數(shù)率方面，探測器同樣表現(xiàn)出色。當探測效率下降3 dB時，計數(shù)率仍能達到41 MHz，滿足絕大多數(shù)量子光學實驗的高計數(shù)率需求。

4. 探測器層析成像：高保真度的驗證

為了全面評估探測器的性能，項目團隊還進行了探測器層析成像實驗，通過重構(gòu)正算符值測量（POVM）元素，分析探測器對不同光子數(shù)事件的探測保真度。將平均光子數(shù)μ從0.1調(diào)整到5，覆蓋了大多數(shù)實驗場景下的光子數(shù)范圍，記錄不同μ值下的脈沖幅度計數(shù)，構(gòu)建輸入矩陣I和輸出矩陣O，再重構(gòu)出保真度矩陣P。

結(jié)果顯示，探測器在多光子事件探測中表現(xiàn)出高保真度：單光子探測保真度為97.5%，雙光子為87.4%，三光子為73.4%，四光子為40.5%，證明了探測器在準確重構(gòu)入射光子數(shù)狀態(tài)方面的卓越能力。

為了進一步驗證保真度矩陣的準確性，項目團隊利用重構(gòu)的保真度矩陣進行量子態(tài)重構(gòu)，將重構(gòu)的輸入分布與預(yù)期輸入分布進行對比。通過計算 Hellinger 距離（一種衡量概率分布相似性的指標）發(fā)現(xiàn)，當μ<1.5時，H值通常小于 0.1，表明重構(gòu)結(jié)果與實際輸入高度吻合，進一步證實了探測器的高保真度。

三、實用化的意義

PNR SNSPD實現(xiàn)實用化，不僅是探測器技術(shù)領(lǐng)域的一次突破，更將為量子光學實驗帶來一系列深遠影響，推動多個量子領(lǐng)域的發(fā)展。

1. 高斯玻色采樣：量子計算優(yōu)勢驗證的強力支撐

高斯玻色采樣作為實現(xiàn)量子計算優(yōu)勢的重要方向，其核心是通過統(tǒng)計輸出光子的數(shù)量分布來體現(xiàn)量子計算的速度優(yōu)勢。此前，由于PNR探測器性能的限制，GBS實驗往往難以準確獲取大量光子的數(shù)量信息，影響量子計算優(yōu)勢的驗證效果。

具備32光子分辨能力和98%的高探測效率的PNR SNSPD，能準確捕捉GBS實驗中輸出光子的數(shù)量分布，為GBS實驗提供更精準的數(shù)據(jù)支持。同時，41 MHz 的高計數(shù)率能加快實驗數(shù)據(jù)的采集速度，縮短實驗周期，助力科學家更高效地驗證量子計算優(yōu)勢。

2. 量子通信：提升密鑰分發(fā)的安全性與效率

在量子密鑰分發(fā)（QKD）中，竊聽者可能通過截獲和重發(fā)光子來獲取密鑰信息。PNR探測器能通過精準分辨光子數(shù)量，有效區(qū)分合法信號（通常為單光子）和竊聽者的干擾信號（可能包含多光子），從而提高QKD的安全性。

PNR SNSPD不僅能準確分辨單光子和多光子，還具備低暗計數(shù)率和高探測效率的優(yōu)勢。低暗計數(shù)率減少了虛假信號對密鑰生成的干擾，高探測效率則提高了密鑰生成的速率，為量子通信的實用化推廣提供了關(guān)鍵支撐。

3. 量子計量：高精度測量的新工具

量子計量利用量子效應(yīng)實現(xiàn)超越經(jīng)典極限的測量精度，在原子鐘、引力波探測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在量子計量實驗中，往往需要精確測量光子的數(shù)量和到達時間，對探測器的性能提出了極高要求。

PNR SNSPD兼具高光子數(shù)分辨能力、低時間抖動和高探測效率，能滿足量子計量實驗對光子測量精度的嚴苛需求。比如在原子鐘實驗中，它可以準確測量光子的到達時間，提高原子鐘的精度；在引力波探測中，它能捕捉到引力波引起的光子數(shù)量變化，助力科學家更精準地探測引力波。

4. 基礎(chǔ)量子光學研究：探索量子世界的新視角

除了上述應(yīng)用領(lǐng)域，PNR SNSPD還將為基礎(chǔ)量子光學研究提供新的工具，幫助科學家探索更多未知的量子效應(yīng)。

比如在多光子糾纏實驗中，此前由于探測器光子數(shù)分辨能力的限制，科學家難以準確觀察多光子糾纏的細節(jié)。能分辨32個光子的PNR SNSPD，為研究多光子糾纏提供了更精準的觀測手段，有望推動多光子糾纏理論的發(fā)展。

在光子聚束和反聚束效應(yīng)的研究中，高探測效率和低暗計數(shù)率能讓實驗數(shù)據(jù)更準確，幫助科學家更深入地理解光子的統(tǒng)計特性，為量子光學理論的完善提供實驗支撐。

四、未來展望

雖然PNR SNSPD已經(jīng)實現(xiàn)了實用化，但在性能優(yōu)化和應(yīng)用拓展方面，仍有巨大的潛力等待挖掘。

1. 進一步提升光子數(shù)分辨能力

目前，探測器能分辨32個光子，但通過以下方法，有望將這一指標進一步提升：

• 提高納米線的開關(guān)電流：探測器目前采用的納米線開關(guān)電流約為18 μA，通過優(yōu)化器件襯底、超導材料和納米線制備工藝，將開關(guān)電流提升至25-30 μA，有望將光子數(shù)分辨能力提升至50以上；

• 結(jié)合時空復用技術(shù)：時間復用技術(shù)已被證明能實現(xiàn)100以上的光子數(shù)分辨，未來可以將空間復用與時間復用相結(jié)合，在保持高計數(shù)率的同時，進一步提升光子數(shù)分辨能力；

• 利用脈沖的多維度信息：除了脈沖幅度，脈沖的上升沿、下降沿等信息也包含了光子數(shù)的相關(guān)信息。未來，可以通過分析這些多維度信息，進一步提高光子數(shù)分辨的準確性和范圍。

2. 拓展波長響應(yīng)范圍

目前，探測器主要針對1550 nm通信波長進行優(yōu)化，但超導納米線本身具備寬光譜響應(yīng)特性，未來項目團隊可以通過調(diào)整納米線的材料和結(jié)構(gòu)，拓展探測器的波長響應(yīng)范圍，使其在可見光、近紅外甚至中紅外區(qū)域都能保持優(yōu)異性能。

這將讓探測器在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，比如在生物醫(yī)學領(lǐng)域，可用于熒光成像實驗中的光子計數(shù)；在天文學領(lǐng)域，可用于探測天體發(fā)出的紅外光子，助力天體物理研究。

3. 集成化與小型化

為了更好地適應(yīng)量子實驗的集成化趨勢，未來將優(yōu)化探測器的封裝工藝，降低實驗裝置的復雜度，推動PNR SNSPD的集成化與小型化，讓更多實驗室能夠便捷地使用高性能的PNR探測器，推動量子光學實驗的普及。

五、結(jié)語

從理論構(gòu)想到實驗驗證，從性能突破到實用化落地，PNR SNSPD經(jīng)歷了無數(shù)次的嘗試與優(yōu)化，終于打破了PNR探測器實用化的瓶頸，為量子光學實驗提供了一款性能卓越的工具。

在量子科技飛速發(fā)展的今天，探測器技術(shù)的進步往往能推動整個領(lǐng)域的突破。PNR SNSPD將成為量子光學實驗的重要工具，助力科學家在量子計算、量子通信、量子計量等領(lǐng)域取得更多重大成果，推動量子科技走向更廣闊的未來。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00508