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量子眼——單光子探測(cè)器

發(fā)布日期:2023-12-27瀏覽次數(shù):106

單光子探測(cè)器


一、前言


隨著人類對(duì)量子世界認(rèn)識(shí)的不斷加深以及實(shí)驗(yàn)科技的進(jìn)步,量子態(tài)產(chǎn)生、調(diào)控及探測(cè)能力也逐漸得到增強(qiáng),以此為基礎(chǔ)的量子信息技術(shù)成為本世紀(jì)初的科技和產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn),并被稱為“第二次量子革命”。光是電磁波譜中人類認(rèn)識(shí)最為全面的波段,光子也是最易產(chǎn)生、操控、傳輸及探測(cè)的量子態(tài)載體之一。因此,光量子信息技術(shù)在量子信息技術(shù)中扮演著關(guān)鍵角色。光量子信息中信息的載體是單個(gè)光子。因此,單光子探測(cè)器(SPD: Single photon detector)就成為光量子信息技術(shù)中不可或缺的核心器件。


目前主流的單光子探測(cè)技術(shù)包括光電倍增管(PMT: Photomultiplier Tube)、半導(dǎo)體雪崩光電二極管(APD: Avalanche Photodiode)以及超導(dǎo)(納米線)單光子探測(cè)器(SSPD:superconducting nanowire single photon detector/superconducting strip photon detector)三種。


二、光電倍增管(PMT)

PMT是基于外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)的一種SPD。光子被光陰極吸收后,光陰極激發(fā)出光電子;光電子進(jìn)入倍增系統(tǒng)通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大,多級(jí)倍增之后產(chǎn)生的大量電子到達(dá)陽極形成可測(cè)量的電脈沖信號(hào)。PMT主要工作在紫外、可見和近紅外區(qū),具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。與其它幾類SPD相比,光敏面大是它最為獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),典型尺寸可以從幾毫米到幾百毫米不等,特別適合于大光敏面需求的應(yīng)用領(lǐng)域,目前最大的PMT可達(dá)20英寸。比如日本濱松是國際PMT的主要提供商,它提供的PMT已經(jīng)應(yīng)用于神岡中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)中,成果獲得兩項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近年來,我國北方夜視等單位自主研發(fā)的20英寸PMT也逐漸成熟,并且在國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO)和江門中微子實(shí)驗(yàn)中大量使用。

三、半導(dǎo)體雪崩光電二極管(APD)

APD利用半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了單光子探測(cè)。給光電二極管較高的反向偏置電壓后,利用雪崩擊穿效應(yīng),可在APD中獲得數(shù)百乃至上千倍的內(nèi)部電流增益,通常又被稱為SPAD(Single Photon Avalanche Diode)。SPAD使用的材料不同,可以分別工作在可見光(Si材料)或近紅外(InGaAs/InP材料)波段。SPAD具備體積小、集成度高的優(yōu)勢(shì),已成為一種主流的SPD技術(shù),并在激光測(cè)距、分布式傳感、弱光成像、高速光電分析儀器、無線光通信以及量子信息等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國際上已經(jīng)有多家商業(yè)公司提供SPAD及基于SPAD陣列的相機(jī)產(chǎn)品,比如Excelitas、ID Quantique、MPD等。我國中電44所和中科大等單位合作,已經(jīng)掌握近紅外波段高性能SPAD芯片及其相關(guān)電路技術(shù),自研SPAD性能已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平,并在量子通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

四、 超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SSPD)

SSPD利用微納尺度的超導(dǎo)材料相變實(shí)現(xiàn)量子極限靈敏度光探測(cè),在可見及近紅外波段均展示了無與倫比的單光子探測(cè)能力。目前SSPD的探測(cè)效率已接近1,并且在光量子信息等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。我國SSPD主要研究單位有中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、南京大學(xué)和天津大學(xué)等。我國SSPD研發(fā)實(shí)力已全面達(dá)到了國際先進(jìn)水平,為我國在量子信息等領(lǐng)域進(jìn)入國際第一梯隊(duì)提供了核心探測(cè)器支撐。比如作者所在的上海微系統(tǒng)所團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了SSPD材料生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)與工藝、低溫系統(tǒng)集成等全鏈條技術(shù),研發(fā)的SSPD在光纖通信1550 nm波長(zhǎng)最高系統(tǒng)探測(cè)效率達(dá)到98%,最低暗計(jì)數(shù)達(dá)到1 cps以下,達(dá)到了世界最好水平。需要特別說明的是,相關(guān)團(tuán)隊(duì)已依托上海微系統(tǒng)所孵化了賦同量子科技有限公司,成功實(shí)現(xiàn)了SSPD技術(shù)產(chǎn)品化,改變了該領(lǐng)域長(zhǎng)期依賴進(jìn)口產(chǎn)品的現(xiàn)狀。五年來,已經(jīng)為國內(nèi)用戶提供逾百臺(tái)高性能SNSPD系統(tǒng),國內(nèi)市場(chǎng)占有率逾七成,成為了光電領(lǐng)域高端科研儀器國產(chǎn)化的典范。

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圖1 雙層超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器示意圖

本世紀(jì)SPD發(fā)展的最強(qiáng)大的需求牽引來自于量子信息技術(shù)的快速發(fā)展。InGaAs APD由于其體積小、集成度高,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外量子通信中,包括京滬量子通信干線和全球首顆墨子號(hào)量子通信衛(wèi)星。但是其存在著探測(cè)效率有限、暗計(jì)數(shù)高等不足,短期內(nèi)沒有很好的解決方案。而SNSPD具有高探測(cè)效率、低暗計(jì)數(shù)、高速度等優(yōu)勢(shì),受到了量子信息領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。由于其必須使用4 K甚至更低溫度的制冷機(jī),使得大規(guī)模應(yīng)用受限。但是,作為一種高端科研儀器,SSPD已經(jīng)成為量子信息前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的強(qiáng)大工具。2014年以來,潘建偉院士團(tuán)隊(duì)在量子通信領(lǐng)域,利用SSPD多次創(chuàng)造了光纖量子密鑰分發(fā)距離世界紀(jì)錄;近年來,全球光纖量子密鑰分發(fā)的距離不斷創(chuàng)造新紀(jì)錄幾乎都是使用SSPD實(shí)現(xiàn)的。在光量子計(jì)算領(lǐng)域,2020年潘建偉院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”成果,實(shí)現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解,使得中國成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑:量子計(jì)算優(yōu)越性?!熬耪隆敝幸豁?xiàng)核心技術(shù)就是100個(gè)高效率SSPDs。在2021年的“九章2.0”中,SNSPD數(shù)量增加至144個(gè),探測(cè)器性能也得到了進(jìn)一步提升。

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圖2 光量子計(jì)算機(jī)中使用的一臺(tái)超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)

除了量子通信和光量子計(jì)算以外,SPD也給大量弱光探測(cè)領(lǐng)域帶來眾多顛覆式創(chuàng)新。2013年美國NASA的LLCD項(xiàng)目利用地面基站的高速SSPD陣列,首次實(shí)現(xiàn)了繞月軌道衛(wèi)星和地球之間的直接光通信,最高速度達(dá)到622 Mbps,被譽(yù)為空間光通信的里程碑。NASA正在實(shí)施的火星探測(cè)DSOC項(xiàng)目中將繼續(xù)采用SSPD技術(shù)。2019年我國天琴計(jì)劃中月球激光測(cè)距采用了多通道SSPD達(dá)到了厘米級(jí)分辨率。2021年,中科大竇賢康、夏海云團(tuán)隊(duì)基于SSPD發(fā)明了一種單光子探測(cè)自由空間區(qū)段光譜遙感技術(shù),實(shí)現(xiàn)了自由大氣中二氧化碳和半重水有距離分辨率的光譜遙感分析。2021年,中科大潘建偉、徐飛虎團(tuán)隊(duì)利用InGaAs SPAD實(shí)現(xiàn)超過200公里的遠(yuǎn)距離單光子三維成像,為遠(yuǎn)距離目標(biāo)識(shí)別、對(duì)地觀測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用開辟新道路。需要說明的是,以上弱光探測(cè)都僅使用了SPD的光子計(jì)數(shù)功能,光的量子態(tài)信息尚未得到利用。未來如果能夠在應(yīng)用中利用光的量子態(tài)信息,將有望進(jìn)一步增加信息維度,使得真正的量子雷達(dá)和量子成像成為可能,為軍事等應(yīng)用帶來變革性技術(shù)。

五、 小  結(jié)

隨著量子信息等領(lǐng)域研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)一步推進(jìn),SPD的需求仍會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng),同時(shí)對(duì)更高性能的SPD以及國產(chǎn)化SPD提出進(jìn)一步的要求。傳統(tǒng)的非超導(dǎo)單光子探測(cè)器性能相對(duì)比較成熟,但是探測(cè)效率等性能指標(biāo)提升空間有限、性價(jià)比和像素?cái)?shù)量不足等仍是其發(fā)展的主要瓶頸。而對(duì)于SSPD,一方面極限性能指標(biāo)(極限效率、極低噪聲、極高速度、極低抖動(dòng)、光子數(shù)分辨能力等)仍然在科研領(lǐng)域存在明確的需求,另外一方面,兩項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)實(shí)現(xiàn)的高綜合性能指標(biāo)SSPD仍存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)??梢哉f,高性能SSPD將在一定程度上會(huì)影響量子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程。然而,多項(xiàng)配套技術(shù),包括低溫制冷機(jī)、恒溫器、低溫電子學(xué)等,其技術(shù)成熟度和SWaP仍無法滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求,并對(duì)其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程產(chǎn)生決定性影響。不管如何,在量子信息等領(lǐng)域的呼喚下,單光子探測(cè)器的春天已經(jīng)到來。



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