作為國際戰略新興技術(shù)，量子信息領(lǐng)域面臨著(zhù)激烈的國際競爭，其核心元器件技術(shù)受到國際禁運的影響。高性能單光子探測器是量子調控中不可或缺的關(guān)鍵核心部件，也曾在國際禁運之列。
“光子是光的最小單元，一個(gè)10瓦的燈泡1秒鐘可以發(fā)出約10^20個(gè)光子。”中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海微系統所）研究員尤立星博士向科技日報記者介紹，單光子探測技術(shù)就是探測一個(gè)光子的技術(shù)，代表光信號探測能力的極限。
單光子探測器對量子信息領(lǐng)域到底有多重要？尤立星打了一個(gè)比方：假設一顆水滴是水的最小單元，通常情況下水龍頭打開(kāi)水嘩嘩嘩流出來(lái)，而量子調控就像用水龍頭控制每一顆水滴滴下來(lái)，單光子探測器相當于探測到滴下來(lái)的每一顆水滴。“我們就要把探測到的單個(gè)光子轉化為電信號，當前的探測水平是，如果發(fā)射100個(gè)光子，我們可以探測到90個(gè)。”
SNSPD特種兵與量子信息國家隊的配合戰
尤立星于2007年回國，在上海微系統所開(kāi)展低溫超導納米線(xiàn)單光子探測器（SNSPD）技術(shù)的研發(fā)。該技術(shù)利用超導納米材料對光敏感的特性，來(lái)實(shí)現對單個(gè)光子的探測。
單光子探測器的研發(fā)是一個(gè)非常復雜的系統工程，從材料生產(chǎn)、加工到系統集成必須從零開(kāi)始探索。在還沒(méi)有自主掌握SNSPD核心技術(shù)之前，我國進(jìn)行量子通信試驗所使用的單光子探測器，效率只有20%，且噪聲極大，與國際最高水平相差甚遠。缺乏高性能單光子探測器已經(jīng)嚴重影響到我國量子信息領(lǐng)域科學(xué)家與國外同行的競爭。
尤立星表示，我國單光子探測器的起步和發(fā)展是從用戶(hù)需求中探尋出科研方向，第一步就是要實(shí)現器件的實(shí)用性和可靠性。
在與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度國家實(shí)驗室潘建偉院士團隊的合作中，尤立星團隊通過(guò)研發(fā)新型電路結構，提高了系統的穩定性與可靠性，并將其應用環(huán)境從實(shí)驗室環(huán)境，做到適應于實(shí)際現場(chǎng)環(huán)境。2012年，我國自主研發(fā)的SNSPD第一次成功應用到城際量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò )中。潘建偉在用戶(hù)報告提到：“與國外同類(lèi)型單光子探測器相比，上海微系統所研制的SNSPD系統基于機械制冷技術(shù)實(shí)現了即插即用，既大大提升了用戶(hù)友好性能，又顯著(zhù)降低了應用成本，具有很好的推廣價(jià)值。”
關(guān)鍵技術(shù)突破推動(dòng)我國SNSPD科研邁向產(chǎn)業(yè)化
就在我國SNSPD從無(wú)到有，實(shí)現國內自主可控的同時(shí)，國際上單光子探測器技術(shù)水平也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。我國量子信息領(lǐng)域的快速發(fā)展也對SNSPD探測效率提出了更高需求。
尤立星介紹，2013年，美國采用硅化鎢（WSi）材料研發(fā)的SNSPD探測效率最高可達93%，而我國當時(shí)采用氮化鈮（NbN）材料制備的SNSPD探測效率只有4%。“WSi材料制備的器件需要比NbN更低的工作溫度，因此低溫制冷裝備的成本也要成倍地增加。”尤立星團隊堅持在利用NbN材料開(kāi)展SNSPD研發(fā)的方向上繼續前進(jìn)。經(jīng)過(guò)4年左右的鉆研，2016年，團隊終于在國際上率先實(shí)現NbNSNSPD器件在光纖通信1550納米波長(cháng)的探測效率超過(guò)90%，并持續保持NbNSNSPD器件效率世界紀錄。
“背景暗計數抑制是降低探測系統噪聲的關(guān)鍵。”尤立星講到，所謂暗計數就是噪聲，噪聲越低，系統信噪比就越高。當時(shí)國外也有一些降低噪聲的方法，但是這些方法同時(shí)也減弱了信號。“就像化療在殺死癌細胞的同時(shí)也殺死了健康細胞。”團隊對噪聲的起源進(jìn)行研究后發(fā)現，與芯片相連光纖的黑體輻射是背景噪聲的主要來(lái)源。在此基礎上，他們研發(fā)出片上集成低溫濾波器和光纖端面低溫濾波器兩種暗計數抑制關(guān)鍵技術(shù)。
“新方法極大降低了殺死正常細胞的概率，專(zhuān)殺‘癌細胞’，是一種靶向治療。”尤立星這樣比喻。據悉，采用該方法的超低暗計數SNSPD系統探測效率可以在暗計數1赫茲條件下達到80%，居國際領(lǐng)先水平。目前該技術(shù)已獲得了中、美、日三國專(zhuān)利授權。
在我國高性能SNSPD器件技術(shù)不斷前進(jìn)的過(guò)程中，潘建偉團隊先后創(chuàng )造了404公里可抵御黑客攻擊的光纖量子密鑰分發(fā)、量子隨機數發(fā)生器等多項國際領(lǐng)先的成果，量子密鑰分發(fā)成果還入選“兩院院士評選2014年中國十大科技進(jìn)展新聞”。2015年，潘建偉再次提供用戶(hù)證明：“上海微系統所研發(fā)的SNSPD系統徹底解決了我國高性能SNSPD技術(shù)的有無(wú)問(wèn)題，性能指標達到了國際先進(jìn)水平，為我國量子信息領(lǐng)域的可持續發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。”
SNSPD在效率等性能上的絕對優(yōu)勢能夠推動(dòng)其在量子通信、光量子計算、激光雷達、深空通信等多個(gè)領(lǐng)域拓展應用。在中科院新時(shí)期“面向國民經(jīng)濟主戰場(chǎng)”的辦院方針以及國家“雙創(chuàng )”政策鼓勵下，上海微系統所孵化成立了小型高科技公司，開(kāi)展SNSPD技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化運作。尤立星表示，目的是要解決國家的應用需求，通過(guò)市場(chǎng)化方式實(shí)現高科技的自我生存和技術(shù)迭代，在科研與產(chǎn)業(yè)之間搭建一座橋梁。
(責任編輯：張云文)
