中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員尤立星團隊利用無損介質鏡面結合三明治結構超導納米線，實現(xiàn)了NbN材料超導納米線單光子器件（SNSPD）98%的探測效率，再次創(chuàng)造了NbN SNSPD探測效率的新的世界紀錄。

100%系統(tǒng)探測效率（SDE）是單光子探測器發(fā)展的最終目標，在量子基礎理論驗證和量子信息科技中具有應用價值。SNSPD憑借高探測效率、低暗計數(shù)、低時間抖動等性能指標，在量子通信、量子計算、深空光通信、生物熒光成像等領域發(fā)揮重要作用，推動了量子信息技術和其他前沿科學的發(fā)展。對SNSPD來說，實現(xiàn)100%效率的關鍵難點在于，需同時實現(xiàn)接近100%的本征探測效率和吸收效率。由于二者之間的糾纏制衡關系，相比于其他低Tc的超導材料（如WSi），高Tc的NbN材料SNSPD實現(xiàn)高SDE的難度更大。2017年，研究人員通過工藝優(yōu)化，首次報道了基于小型閉合循環(huán)制冷機，2.1 K工作溫度下，NbN-SNSPD系統(tǒng)探測效率（1550 nm工作波長）可超過90%；2019年，研究人員發(fā)明了離子注入等手段，首次打破了NbN本征探測效率和吸收效率的制衡關系，再次實現(xiàn)了90%探測效率SNSPD器件，為極限效率探測研究奠定基礎。 

近期，經過系統(tǒng)分析，研究團隊提出了無損介質鏡面加三明治超導納米線的器件架構，再次打破了NbN SNSPD器件的本征探測響應和光學吸收效率的制衡關系，實現(xiàn)了兩者的同時提升。在0.8 K工作溫度，1590 nm波長實現(xiàn)了98%的系統(tǒng)探測效率，在1530-1630 nm波長范圍內的系統(tǒng)效率超過95%。該類型的探測器還顯示出對多種參數(shù)的魯棒性，例如，在2.1 K溫度下，同一批次制造的45個探測器，SDE大于80%（90%）的產率達73%（36%），對批量生產及商業(yè)化應用具有實際意義。 

相關研究成果以Detecting single infrared photons toward optimal system detection efficiency（《最優(yōu)效率紅外單光子探測》）為題，在線發(fā)表在Optics Express上，博士研究生胡鵬為論文第一作者，副研究員李浩和尤立星為論文的通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目“高性能單光子探測技術”、國家自然科學基金、上海市科委量子專項、上海市啟明星、上海市優(yōu)秀學術帶頭人、中科院青年創(chuàng)新促進會等的支持。 

論文鏈接 

圖1.（a）器件架構示意圖；（b）傳統(tǒng)單層納米線與本文中的三明治結構納米線；（c）器件光子響應和光學吸收的制衡關系 

圖2.（a）器件效率隨偏置電流變化關系；（b）器件在不同波段下的探測效率和仿真結果