光子作為信息的重要載體，在通信、計(jì)算、生物等領(lǐng)域中扮演著不可或缺的角色。但單個(gè)光子的能量微小，一般光探測器無法探測，而超導(dǎo)單光子探測器如同一雙“超級(jí)慧眼”，能捕捉極其微弱的單個(gè)光子信號(hào)。

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡稱上海微系統(tǒng)所）成功研制了高探測效率、高工作溫度超導(dǎo)單光子探測器（SSPD），并開展了無人機(jī)搭載的超導(dǎo)單光子探測器實(shí)驗(yàn)，實(shí)測機(jī)載探測效率達(dá)到90%。

▲無人機(jī)載的超導(dǎo)單光子探測系統(tǒng)實(shí)測性能

01機(jī)載應(yīng)用，性能挑戰(zhàn)升級(jí)

超導(dǎo)單光子探測器因其高效率、低暗計(jì)數(shù)率和優(yōu)異的時(shí)間分辨率，在量子通信和光學(xué)量子計(jì)算等方面得到了廣泛應(yīng)用。

主流超導(dǎo)單光子探測系統(tǒng)，普遍采用小型機(jī)械制冷機(jī)，典型工作溫度在2K（-271℃）左右。這類超導(dǎo)單光子探測系統(tǒng)尺寸、功耗和體積較大，主要適合于光量子計(jì)算、光纖量子通信等地面應(yīng)用。

然而，機(jī)載量子信息應(yīng)用需求不僅需要高的探測性能指標(biāo)，還需要系統(tǒng)的體積、功耗和尺寸都足夠小，并具備快速部署的能力，傳統(tǒng)基于機(jī)械制冷機(jī)的超導(dǎo)單光子探測系統(tǒng)無法滿足機(jī)載應(yīng)用需求。

02材料優(yōu)化，提升工作溫度

研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)低溫超導(dǎo)超薄薄膜材料Nb（Ti）N組分調(diào)控，提高薄膜均勻性和臨界溫度，使得超導(dǎo)單光子探測器在4.2K（-269℃）實(shí)現(xiàn)了近飽和的本征探測效率。

利用該薄膜材料，研究團(tuán)隊(duì)制備了超導(dǎo)單光子探測器器件，實(shí)驗(yàn)表明，在2.2K工作溫度下，探測效率與偏置電流的特性曲線呈現(xiàn)明顯的飽和特性，最高系統(tǒng)探測效率超過95.2%。當(dāng)工作溫度提升至4.2K時(shí)，仍獲得高達(dá)91.8%的系統(tǒng)探測效率。

從2K到4.2K的提升，看似微小，但意義重大。就像通過鍛煉使得身體素質(zhì)明顯提升，冬天不需要棉衣，只需要穿個(gè)襯衫即可。新材料配合液氦杜瓦瓶的使用，可降低制冷設(shè)備要求，有效減小體積。

▲超導(dǎo)單光子探測器器件在不同工作溫度下的效率-工作電流特性曲線

03無人機(jī)載，高效探測成真

由于工作溫度提升至4.2K，使得基于液氦杜瓦瓶的小型化、高效率超導(dǎo)單光子探測系統(tǒng)成為可能。上海微系統(tǒng)所等研制了小型液氦杜瓦瓶和電池供電的微型電路，大幅減小了超導(dǎo)單光子探測系統(tǒng)體積、尺寸和功耗，并開展機(jī)載應(yīng)用探索。

結(jié)合商用無人機(jī)，研究團(tuán)隊(duì)成功開展實(shí)驗(yàn)飛行。結(jié)果表明，飛行狀態(tài)下探測效率達(dá)到90%。該實(shí)驗(yàn)的成功為機(jī)載量子信息（量子通信、激光雷達(dá)等）發(fā)展提供了高性能探測器保障。