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量子调控的神助攻!我国单光子探测器探测效率超百分之九十

侯树文 科技日报记者 王春

作为国际战略新兴技术,量子信息范畴面临着剧烈的国际竞争,其中心元器件技术遭到国际禁运的影响。高性能单光子探测器是量子调控中不可或缺的关键中心部件,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秒钟能够发出约10^20个光子。 中国科学上海微系统与信息技术研讨所(以下简称上海微系统所)研讨员尤立星博士向科技日报记者引见,单光子探测技术就是探测一个光子的技术,代表光信号探测才能的极限。

单光子探测器对量子信息范畴到底有多重要?尤立星打了一个比如:假定一颗水滴是水的最小单元,通常状况下水龙头翻开水哗哗哗流出来,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,当前的探测程度是,假如发射100个光子,我们能够探测到90个。

SNSPD特种兵与量子信息国度队的配合战

尤立星于2007年回国,在上海微系统所展开低温超导纳米线单光子探测器(SNSPD)技术的研发。该技术应用超导纳米资料对光敏感的特性,来完成对单个光子的探测。

单光子探测器的研发是一个十分复杂的系统工程,从资料消费、加工到系统集成必需从零开端探究。在还没有自主控制SNSPD中心技术之前,我国停止量子通讯实验所运用的单光子探测器,效率只要20%,且噪声极大,与国际最高程度相差甚远。缺乏高性能单光子探测器曾经严重影响到我国量子信息范畴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开展是从用户需求中探寻出科研方向,第一步就是要完成器件的适用性和牢靠性。

在与中国科学技术大学微尺度国度实验室潘建伟院士团队的协作中,尤立星团队经过研发新型电路构造,进步了系统的稳定性与牢靠性,并将其应用环境从实验室环境,做到顺应于实践现场环境。2012年,我国自主研发的SNSPD第一次胜利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完成了即插即用,既大大提升了用户友好性能,又显著降低了应用本钱,具有很好的推行价值。

关键技术打破推进我国SNSPD科研迈向产业化

就在我国SNSPD从无到有,完成国内自主可控的同时,国际上单光子探测器技术程度也有了突飞猛进的开展。我国量子信息范畴的快速开展也对SNSPD探测效率提出了更高需求。

尤立星引见,2013年,美国采用硅化钨(WSi)资料研发的SNSPD探测效率最高可达93%,而我国当时采用氮化铌(NbN)资料制备的SNSPD探测效率只要4%。 WSi资料制备的器件需求比NbN更低的工作温度,因而低温制冷配备的本钱也要成倍地增加。 尤立星团队坚持在应用NbN资料展开SNSPD研发的方向上继续行进。经过4年左右的研究,2016年,团队终于在国际上率先完成NbN SNSPD器件在光纤通讯1550纳米波长的探测效率超越90%,并持续坚持NbN SNSPD器件效率世界纪录。

背景暗计数抑止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办法,但是这些办法同时也削弱了信号。 就像化疗在杀死癌细胞的同时也杀死了安康细胞。 团队对噪声的来源停止研讨后发现,与芯片相连光纤的黑体辐射是背景噪声的主要来源。在此根底上,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止关键技术。

新办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,采用该办法的超低暗计数SNSPD系统探测效率能够在暗计数1赫兹条件下到达80%,居国际抢先程度。目前该技术已取得了中、美、日三国专利受权。

在我国高性能SNSPD器件技术不时行进的过程中,潘建伟团队先后发明了404公里可抵御黑客攻击的光纤量子密钥分发、量子随机数发作器等多项国际抢先的成果,量子密钥分发成果还入选 两院院士评选2014年中国十大科技停顿新闻 。2015年,潘建伟再次提供用户证明: 上海微系统所研发的SNSPD系统彻底处理了我国高性能SNSPD技术的有无问题,性能指标到达了国际先进程度,为我国量子信息范畴的可持续开展提供了关键技术支撑。

SNSPD在效率等性能上的绝对优势可以推进其在量子通讯、光量子计算、激光雷达、深空通讯等多个范畴拓展应用。在中科院新时期 面向国民经济主战场 的办院方针以及国度 双创 政策鼓舞下,上海微系统所孵化成立了小型高科技公司,展开SNSPD技术的产业化运作。尤立星表示,目的是要处理国度的应用需求,经过市场化方式完成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。

义务编辑:张琳(EN049)
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