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。

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。

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。

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。

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)。

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。