SUST编辑优选：面向空间应用的超导单光子探测技术

文章介绍

胡鹏，马跃学，李浩，刘子尧，余慧勤，全加，肖游，尤立星，刘彦杰，梁惊涛，王镇

通讯作者：

■ 李浩  中国科学院上海微系统与信息技术研究所

■ 尤立星  中国科学院上海微系统与信息技术研究所

■ 刘彦杰  中国科学院理化技术研究所

为了进一步提升空间应用SNSPD系统性能，中科院上海微系统所与北京理化所在SNSPD高性能器件及制冷技术方面开展了系列工作。上海微系统所李浩、尤立星等人创新性提出多层纳米线SNSPD（如图1），利用多层纳米线间新型触发机制解决了器件光吸收与光子响应的制衡问题，大幅提升了器件成品率和效率，实现SNSPD器件最优 98%的效率纪录【Optics Express 28: 36884 (2020)，专利授权号：CN 111947778 B】。

与此同时，中科院理化所依托在空间制冷领域的持续技术创新，对制冷机进行了进一步的优化，制冷机的体积和最低工作温度得到了进一步降低。新一代制冷机总重量约44kg，真空腔尺寸高度32cm, 直径23cm（如图2），较上一代制冷机重量和体积减小约20%和50%。制冷机总功耗约321.3W,最低无负载工作温度可达到2.2 K。

双方在此基础上，成功实现了最大探测效率93%的可空间应用的超导单光子探测系统，刷新了我国保持了两年多的系统探测效率纪录。该成果对于SNSPD的空间应用具有广泛而深远的意义。

研究背景

超导纳米线单光子探测器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作为一种高性能的单光子探测器，已经广泛的应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技进步。然而，迄今为止，所有的SNSPD都只在地面实现了应用验证，包括美国NASA 2013年的月地激光通信（LLCD）项目，也仅是在地面接收站使用了超导单光子探测器。如果能够在空间应用中采用SNSPD，有望推动空间光学天文观测、深空光通信、空间量子信息等技术的跨越式发展。瞄准该应用需求，全球科研人员一直在努力发展面向空间应用的小型液氦温区制冷机技术，并期望将其和高性能SNSPD结合以实现可空间应用的高性能SNSPD系统。2017年1月，美国NIST首次报道了一个基于三级脉管加JT节流技术的小型制冷机，然而其JT的压缩机尚未成功研制【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】。2017年9月，英国Glasgow大学报道了一个可空间应用的基于斯特林+JT节流技术的小型制冷机，最低温度只能达到4.2K。利用该制冷机实现了SNSPD系统，但是性能非常有限（1310 nm波长/暗计数KHz/探测效率仅20%），和半导体探测器性能相当【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】。2018年，我国中科院上海微系统所与北京理化所通力合作，在双方联合攻克一系列集成技术难题后，首次实现了1550nm工作波长探测效率超过50%的SNSPD系统【Optics Express 26: 2965 (2018)】。

作者介绍

Superconductor Science and Technology（SUST）是专注于超导体及其应用的领军期刊。SUST是一本真正的多学科期刊，为超导体领域的研究人员提供了一个重要的平台，发表快报、特刊、专题综述、研究路线图和见解。SUST的范围涵盖超导材料及其基本属性、超导量子技术、小尺度器件和电子设备、电线和磁带、超导磁体、加速器，以及其他大规模应用等。