單光子探測器（SPD）是量子光學和量子信息領域研究的重要課題。常用的單光子探測器件主要有光電倍增管（PMT）、雪崩光電二極管（APD）及超導納米線單光子探測（SNSPD）等。因超導納米線單光子探測在1550 nm工作波長的探測效率超過90%，正逐漸成為使用較為廣泛的單光子探測技術之一。

目前常用的提升超導納米線探測器的光子數分辨率方法是時間復用或空間復用技術，最多能實現集成24個納米線，最高光子數分辨率也限制在24。近期，美國耶魯大學的唐紅星教授團隊提出一種“時空復用”方案，在面積僅為4 mm×1 mm的光波導芯片上單片集成 100 個超導納米線探測器，同時實現了最高達 100 個光子數的分辨率。相關論文以《A 100-pixel photon-number-resolving detector unveiling photon statistics》為題發表在 Nature Photonics 上^[1]。耶魯大學電氣工程系成日盛博士和周宜雨博士為論文的共同第一作者，唐紅星教授為該論文的通訊作者。該研究不僅解決了片上集成探測器的可擴展性問題，也提出了一種更簡便的電路讀出方案。

圖一. 片上100個光子數探測器示意圖

超導納米線單光子探測器有諸多優異的性質，但其“短板”也十分明顯——缺少光子數分辨能力，只能分辨 0 或者 1 個光子數。該團隊的研究解決了傳統超導納米線探測器光子數分辨率不足的問題。采用的時空復用技術可以將 100 個納米線探測器集成在4 mm×1 mm的微小芯片面積內，在獲得較高的光子數分辨率的情況下，大大的降低整個系統的復雜度。并且只需要一根微波同軸電纜，就可以同時讀取 100 個納米線探測器的狀態。因此，整個外圍電路和電信號處理的復雜度顯著降低。而且，該方案具有很強的可擴展性，通過改進微波延遲線的設計和使用其它新型材料作為其介質層，未來有望將集成探測器的陣列數目進一步提高至 1000 以上。

圖二. 時空復用原理示意圖（Nature Photonics）

值得指出的是，在整個實驗中最為關鍵的是在低溫環境中將光波導芯片超導納米線探測器的電極與多通道射頻探針接觸，并在低溫下將光纖陣列與光柵耦合器精確對準。這其中背后的英雄就是德國attocube公司提供的ANPxyz低溫強磁場納米精度位移臺，系統能夠在極低溫環境下提供納米級的精確位移。attocube公司生產的位移器設計緊湊，體積小巧，種類包括線性XYZ線性位移器、大角度傾角位移器、360度旋轉位移器和掃描器，并以穩定而優異的性能，原子級定位精度，納米位移步長和厘米級位移范圍受到科學家的肯定和贊譽。產品廣泛應用于普通大氣環境和極duan環境中，包括超高真空環境(5E-11mbar)、極低溫環境（10 mK）和強磁場中（31 T）。

圖三. 低溫實驗裝置示意圖及attocube公司的低溫納米位移臺（Nature Photonics）

除上述成果外，因該團隊研究的探測器同時具有超高時間分辨率以及光子數分辨率，作者沿著單個波導對超導納米線陣列進行時空復用，觀察到真正的熱光源，并使用百光子數探測器進行探測，獲得量子光子統計數據。這一結果為光子量子計算和量子計量開辟了新的途徑。

參考文獻：

[1] R. Cheng et al., Nature Photonics 17, 112 (2023)

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