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《中国科技大学构建出基于铌酸锂芯片的上转换单光子探测器》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： 李衍
  • 发布时间：2023-05-25

  • 在过去十年里，光子集成芯片被广泛地应用于量子信息研究。在绝缘体上半导体材料中，铌酸锂绝缘体（lithium niobate on insulator, LNOI）由于其宽阻带、杰出的光电性能、高光学非线性效率等特性而深受青睐。在芯片尺寸的量子信息应用中，LNOI上的低噪声量子频率转换器至关重要，但迄今为止尚未探索。同时，虽然量子频率转换（QFC）已经在量子信息研究中得到了广泛的应用，但超高噪声会破坏量子状态，使单光子级别QFC难以实现。

    中国科学技术大学潘建伟院士研究团队设计并制造了一个应用于LNOI芯片上的低噪声的QFC纳米光波导器件，由此构建了一个上转换单光子探测器[1]。纳米光波导器件采用1950纳米单频激光泵浦，将通信波段的单光子上转换到近可见光波段，实现了73%的内部转换效率和900 cps的芯片内计数率（NCR）。通过比较通信波段引发的单光子源在经过QFC前后的二阶关联特性，验证了LNOI平台上的量子态保持。研究团队构建的上转换单光子探测器，平均探测效率（DE）为8.7％，NCR为300 cps，证明了基于LNOI芯片的上转换单光子探测器的可行性。该研究成果有望在量子信息的铌酸锂集成电路中得到广泛应用。

    [1] Xina Wang, Xufeng Jiao, Bin Wang, et al. Quantum frequency

    conversion and single-photon detection with lithium niobate nanophotonic chips[J].

    npj Quantum Information, 2023, 9, Article number: 38. https://www.nature.com/articles/s41534-023-00704-w



  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41534-023-00704-w
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    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-09-12
    • 把“命门”掌握在自己手中 作为国际战略新兴技术，量子信息领域面临着激烈的国际竞争，其核心元器件技术受到国际禁运的影响。高性能单光子探测器是量子调控中不可或缺的关键核心部件，也曾在国际禁运之列。 “光子是光的最小单元，一个10瓦的灯泡1秒钟可以发出约1020个光子。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称上海微系统所）研究员尤立星博士向科技日报记者介绍，单光子探测技术就是探测一个光子的技术，代表光信号探测能力的极限。 单光子探测器对量子信息领域到底有多重要？尤立星打了一个比方：假设一颗水滴是水的最小单元，通常情况下水龙头打开水哗哗哗流出来，而量子调控就像用水龙头控制每一颗水滴滴下来，单光子探测器相当于探测到滴下来的每一颗水滴。“我们就要把探测到的单个光子转化为电信号，当前的探测水平是，如果发射100个光子，我们可以探测到90个。” SNSPD特种兵与量子信息国家队的配合战 尤立星于2007年回国，在上海微系统所开展低温超导纳米线单光子探测器（SNSPD）技术的研发。该技术利用超导纳米材料对光敏感的特性，来实现对单个光子的探测。 单光子探测器的研发是一个非常复杂的系统工程，从材料生产、加工到系统集成必须从零开始探索。在还没有自主掌握SNSPD核心技术之前，我国进行量子通信试验所使用的单光子探测器，效率只有20%，且噪声极大，与国际最高水平相差甚远。缺乏高性能单光子探测器已经严重影响到我国量子信息领域科学家与国外同行的竞争。 尤立星表示，我国单光子探测器的起步和发展是从用户需求中探寻出科研方向，第一步就是要实现器件的实用性和可靠性。 在与中国科学技术大学微尺度国家实验室潘建伟院士团队的合作中，尤立星团队通过研发新型电路结构，提高了系统的稳定性与可靠性，并将其应用环境从实验室环境，做到适应于实际现场环境。2012年，我国自主研发的SNSPD第一次成功应用到城际量子密钥分发网络中。潘建伟在用户报告提到：“与国外同类型单光子探测器相比，上海微系统所研制的SNSPD系统基于机械制冷技术实现了即插即用，既大大提升了用户友好性能，又显著降低了应用成本，具有很好的推广价值。” 关键技术突破推动我国SNSPD科研迈向产业化 就在我国SNSPD从无到有，实现国内自主可控的同时，国际上单光子探测器技术水平也有了突飞猛进的发展。我国量子信息领域的快速发展也对SNSPD探测效率提出了更高需求。 尤立星介绍，2013年，美国采用硅化钨（WSi）材料研发的SNSPD探测效率最高可达93%，而我国当时采用氮化铌（NbN）材料制备的SNSPD探测效率只有4%。“WSi材料制备的器件需要比NbN更低的工作温度，因此低温制冷装备的成本也要成倍地增加。”尤立星团队坚持在利用NbN材料开展SNSPD研发的方向上继续前进。经过4年左右的钻研，2016年，团队终于在国际上率先实现NbN SNSPD器件在光纤通信1550纳米波长的探测效率超过90%，并持续保持NbN SNSPD器件效率世界纪录。 “背景暗计数抑制是降低探测系统噪声的关键。”尤立星讲到，所谓暗计数就是噪声，噪声越低，系统信噪比就越高。当时国外也有一些降低噪声的方法，但是这些方法同时也减弱了信号。“就像化疗在杀死癌细胞的同时也杀死了健康细胞。”团队对噪声的起源进行研究后发现，与芯片相连光纤的黑体辐射是背景噪声的主要来源。在此基础上，他们研发出片上集成低温滤波器和光纤端面低温滤波器两种暗计数抑制关键技术。 “新方法极大降低了杀死正常细胞的概率，专杀‘癌细胞’，是一种靶向治疗。”尤立星这样比喻。据悉，采用该方法的超低暗计数SNSPD系统探测效率可以在暗计数1赫兹条件下达到80%，居国际领先水平。目前该技术已获得了中、美、日三国专利授权。 在我国高性能SNSPD器件技术不断前进的过程中，潘建伟团队先后创造了404公里可抵御黑客攻击的光纤量子密钥分发、量子随机数发生器等多项国际领先的成果，量子密钥分发成果还入选“两院院士评选2014年中国十大科技进展新闻”。2015年，潘建伟再次提供用户证明：“上海微系统所研发的SNSPD系统彻底解决了我国高性能SNSPD技术的有无问题，性能指标达到了国际先进水平，为我国量子信息领域的可持续发展提供了关键技术支撑。” SNSPD在效率等性能上的绝对优势能够推动其在量子通信、光量子计算、激光雷达、深空通信等多个领域拓展应用。在中国科学院新时期“面向国民经济主战场”的办院方针以及国家“双创”政策鼓励下，上海微系统所孵化成立了小型高科技公司，开展SNSPD技术的产业化运作。尤立星表示，目的是要解决国家的应用需求，通过市场化方式实现高科技的自我生存和技术迭代，在科研与产业之间搭建一座桥梁。
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）为单光子探测器构建出基于超导的KICS系统用于捕捉TES信号》
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    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2024-12-09
    • 能够检测可见光中单个光子的传感器对于从暗淡的遥远星系成像到量子计算和DNA测序等应用都变得至关重要。近日，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）的研究人员现在已经设计出一种更简单且可能更精确的系统，用于读取大量最灵敏的单光子探测器的测量结果。 这些被称为过渡边缘传感器（Transition Edge Sensors, TES）的高灵敏度探测器由NIST开发和完善，它们由一层超薄的金属膜组成，其温度保持在超导（零电阻状态）和正常电阻之间的临界状态下。当辐射击中单个TES探测器时，它会使其提高温度并增加TES的电阻，这表现为电流的变化。单个光子携带的能量越多，产生的信号就越大。 感应电流的变化其实非常小，必须通过特殊的识别系统进行放大。通常，研究人员使用超导量子干涉装置（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID），它将TES中的微小电流变化转换为被放大的磁信号。 尽管大量SQUIDs已被用于识别无线电波和X射线波长产生的数百到数千个像素的光子在TES中所产生的感应电流，但它们的运行速度太慢，无法从多个检测可见光光子的TES设备中收集数据。此外，SQUIDs相对笨重，很难部署在需要数千个紧密排列的TES设备的新应用系统中使用。 为了克服这些缺点，NIST和科罗拉多大学博尔德分校的Paul Szypryt和他的同事用另一种称为动态感应电流传感器（Kinetic Inductance Current Sensor, KICS）的识别系统取代了SQUIDs。每个KICS都由一个超导体构成，该超导体在特定频率下自然共振。当来自TES的电流脉冲通过电路时，KICS会改变其共振频率。重要的是，这些频率变化足够快，以至于每个KICS阵列都可以同时读取来自数千个可见光TES传感器的信号。 KICS的另一个优势是：它大大减少了电子噪声的一个主要来源。为了最大限度地提高KICS电路的灵敏度，必须向该设备施加直流电，或称为偏置电流。但如果持续提供该电流，它可能会产生一个虚假的电子信号。而KICS是超导体构成的，它可以在这种无电阻电路中捕获并永久保留偏置电流。因此，信号捕获的过程中只需对KICS施加一次直流电，从而有效减少了虚假信号，使KICS系统能够非常准确地读取TES电流。 Paul Szypryt和他的同事，以及来自意大利米兰比可卡大学的科学家们，于11月6日在《Communications Engineering》期刊上发布了他们的研究成果。（DOI:10.1038/s44172-024-00308-y）
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