【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所(簡稱 “上海微系統所”)李浩、尤立星研究員團隊在量子探測領域取得關鍵進展。該團隊創新性融合高效率超導單光子探測與片上空間復用讀出技術，成功研制出具備 98% 系統探測效率、可分辨 32 個光子的光子數可分辨單光子探測器，為光量子計算、量子通信等前沿領域的實用化突破提供了核心器件支撐。相關研究成果以 "Photon-Number-Resolving Single-Photon Detector with a System Detection Efficiency of 98% and Photon-Number Resolution of 32" 為題，于 7 月 4 日在國際權威學術期刊《ACS Photonics》正式發表，并被選作附加封面。論文 DOI 鏈接為：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00508。
圖 1 探測器結構與效率性能圖：(a)探測器結構示意圖；(b)探測效率和暗計數曲線圖
光子數可分辨單光子探測器是量子信息領域的 “核心感知器件”，其性能直接決定了量子技術從理論走向應用的上限。長期以來，傳統光子數可分辨探測技術始終面臨性能瓶頸：超導轉變邊緣傳感器雖能實現一定的光子數可分辨能力，但存在探測速度慢(通常低于 1MHz)、時間抖動大(約納秒級)、且需超低溫(約 100mK)極端環境等問題，難以滿足高重復頻率實驗需求；而半導體單光子探測器則受限于材料帶隙特性，探測效率始終難以突破關鍵閾值，制約了量子系統的整體性能。
針對這些行業痛點，上海微系統所團隊提出了顛覆性的技術方案，通過 “雙結構優化” 實現探測效率和光子數可分辨率的突破，具體包括：一方面，采用 NbN/SiO?/NbN 三明治式超導納米線結構，并將其集成在中心反射帶為 1550nm 的分布式布拉格反射器(DBR)上。這種設計不僅大幅提升了納米線對光子的吸收效率，還顯著增強了光子響應的信噪比，為接近 100% 的探測效率和高效信號讀出奠定了硬件基礎；另一方面，團隊通過“分段設計 + 分流電阻” 構建片上空間復用讀出系統，將 32 個納米線像素串聯，每個像素均并聯 40Ω 電阻，使探測器輸出的脈沖幅度與入射光子數形成精準的線性映射關系，從原理上突破了傳統器件探測效率和光子數可分辨能力有限的技術障礙。
圖2(c)器件分辨 1-32 個光子事件波形圖。(d)1-8 個光子輸出幅度統計分布圖。
(e)不同光子數本征預報概率，對于 1-6 個光子，準確分辨的概率超過 99%。
實驗測試數據顯示，該探測器的綜合性能達到國際領先水平：單光子系統探測效率最高達 98.6%，逼近理論極限；光子數可分辨能力覆蓋 1-32 個光子，遠超傳統超導納米線探測器(通常不超過 10 個光子)的分辨上限；同時，對2光子、3光子、4光子事件的探測保真度分別達到 87.4%、73.4% 和 40.5%，為高保真度多光子態探測提供了可靠的技術方案，可有效支撐復雜量子態的精準測量。該成果不僅為量子信息科學的基礎研究與產業應用提供關鍵器件保障，更向全球量子探測領域貢獻了兼具創新性與實用性的 “中國方案”。
上海微系統所為該研究的第一完成單位與通訊單位，博士生丁超夢、已出站博士后張興雨為論文共同第一作者，李浩研究員為通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金(項目編號：U24A20320、62401554)、科技創新 2030—“量子通信與量子計算機” 重大項目(項目編號：2023ZD0300100)、上海市量子重大專項(項目編號：2019SHZDZX01)等項目的聯合資助。
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