SNSPD二十年:回顾与展望

21世纪初,GOL’TSMAN等人开启了超导纳米线单光子探测器(SNSPD)这一研究领域。历经整整20年的发展,SNSPD已经成为综合性能优异的单光子探测器,被广泛用于量子与经典的弱光探测。本文从性能指标、器件物理、薄膜材料、器件结构、加工工艺、光学耦合、信号读出、制冷系统、应用演示等9个方面,回顾了过去20年里SNSPD的重要研究进展;在此基础上,展望和评述了未来可能的研究与发展方向。     

超导纳米线单光子探测现状与展望

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是一种量子极限灵敏度的光探测器。它的基本原理是利用光子能量实现超导纳米线库珀对的拆对,从而在超导纳米线局域发生超导-非超导相变。和传统半导体单光子探测器相比,具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、死时间短、宽谱响应以及自由运行等优势。高性能SNSPD已经在量子信息、激光通信、激光雷达等领域得到了广泛应用。文中概述了过去几年间国内外在SNSPD研发、应用成果及产业化等方面的进展,并对SNSPD未来的技术发展和应用进行了展望。     

基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统的比较研究

通过实验比较研究了基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统.实验中,当接收回波端衰减120 d B时,天空光背景可忽略,基于SPAD的激光测距系统探测概率低于0.2%,而基于SNSPD的激光测距系统探测概率达35%;当激光发射频率低于1 k Hz,基于SNSPD的激光测距系统探测概率比SPAD高60%以上.研究表明:在探测弱信号回波光子时,SNSPD的探测性能远远优于SPAD,其原因是SNSPD具有较低的暗计数和高探测概率.与此同时,在接收端无衰减情况下,天空光背景会带来暗计数,影响测距系统信噪比.通过仿真分析表明,当背景亮度L0高于30 W/(m~2·sr)时,该基于SNSPD的激光测距系统的信噪比低于6,可能影响测距系统稳定探测.     

面向SNSPD系统的可拓展时间抖动测量模块

针对超导纳米线单光子探测器(SNSPD)应用需求的多样化,设计了一款面向SNSPD的可拓展时间抖动测量模块。基于对SNSPD系统时间抖动测量原理的分析,设计了数字化单元、时间数字转换(TDC)单元和现场可编程门阵列(FPGA)单元,实现对SNSPD输出信号的数字化、时间信息测量以及数据读取。对该模块TDC单元的分辨率、线性度和时间精度分别标定,测试结果表明TDC单元的分辨率好于55ps,测量数据呈线性,100ns以内时间精度低于36ps。通过结合实用化SNSPD系统,实现了100ps左右的时间抖动表征,并与商用时间相关单光子计数(TCSPC)模块进行对比,验证了该模块对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。     

单光子探测器研究现状与发展

单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。单光子探测器突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限,同时对光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性进行探测,具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点,同时具有室温单光子探测的潜力。为了深入了解单光子探测器的研究现状和发展前景,本文介绍了单光子探测器的工作机理,总结对比了光电倍增管、雪崩光电二极管等传统单光子探测器以及基于新型二维材料的雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器等新型单光子光电探测器的优势与不足,并对其发展前景进行了展望。此外还介绍了单光子探测器在量子通信、激光测距和成像等领域的应用。     

阵列探测技术在激光测距中的应用

高精度的空间碎片观测数据对航天器碰撞预警具有重要意义,激光测距技术是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术,但大多数空间碎片上并未携带角反射器装置,激光测距回波信号较弱。阵列探测技术可以提高回波信号较弱的空间碎片激光测距探测成功概率,中国科学院云南天文台2015年开始开展基于阵列探测技术的激光测距试验,2017年成功将阵列超导纳米线单光子探测器和多通道事件计时器等阵列探测技术应用于激光测距试验系统中,分别在2017年3月和2018年3月的激光测距试验中,成功采集2×2和4×4阵列激光测距数据。其中探测到最小目标为轨道高度约1 000 km、大小为雷达截面（Radar Cross Section,RCS ） 0.045 m2的空间碎片;探测到最远目标为斜距约5 000 km、大小为RCS 18.25 m2的空间碎片。     

单光子探测器及量子密钥分配

量子密钥分配中的一项炎键技术就是在其通信窗口实现单光子探测.单光子探测器的性能决定着量子密钥分配系统的性能.综述了单光子探测器的研究进展,讨论了量子密钥生成速率的安全判据及特点,分析了量子密钥分配的主要实验进展.高性能的单光子探测器的研制,以及量子密钥分配方案的改进,极大地提高了量子密钥分配的速率和距离.     

半导体器件的发展与固态纳米电子器件研究现状

简要回顾了半导体电子器件由真空电子管到固体晶体管,直至纳米电子器件的发展历程。分别比较了不同的半导体电子器件的材料、理论和所采用的制备技术。在此基础上综述了当前较热门的纳米电子学和固态纳米电子器件,并由纳米器件的分类简单介绍了当前固态纳米电子器件的三个部分,即量子点、谐振隧穿器件和单电子晶体管。最后对半导体器件的发展提出了展望。     

基于光子数可分辨探测器的单脉冲光子数检测

为了对未知脉冲所含的光子数进行标定,针对不同光子数的光脉冲在超导环境下,微波动态电感探测器(MKID)作用时,测量系统输出的信号差异性,采用平均区间取值法和迭代法分别进行标定,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,MKID能够在低温测量系统中对未知1550nm单脉冲光的光子数进行识别; 经过数据处理后得到平均光子数分别为1.98和1.81;其中平均区间取值法标定光子数过程较为简单,迭代法有待继续探索。这一结果对单脉冲光子数检测是有帮助的。     

单光子源和单光子探测器研究进展

在众多的量子信息方案中,光学方法是独特的,因为它们允许长距离的通信且提供量子计算新的方法.在光量子信息处理过程中,单光子源和探测器是很重要的一个方面.本文回顾了测量和产生单光子的方法,且讨论了它们在量子信息处理中的应用.     

安全稳定实用的差分量子密钥分配实验研究

在差分密钥分配通信系统中,嵌入时分复用单光子探测装置,在每次量子密钥分配的同时计量发信者(Alice)用于密钥分配的单脉冲平均光子数,确保通信的安全程度.实现了90 km的稳定的量子保密通信,误码率约为4%,有很好的实用价值.     

单光子探测器件的发展与应用

介绍了最近几年单光子探测技术的应用和研究进展.阐述了光电倍增管、雪崩光电二极管和超导单光子探测器的基本工作原理,分析了它们的相关参数并进行了比较.讨论了各器件的工作特点及优缺点,最后对单光子探测技术应用发展前景作了展望.     

量子通信中SAGM型单光子探测器性能分析

分析了InGaAs/InP光电雪崩二极管(SAGM-APD)在红外电信波段应用中的优良特性,阐述了在实际应用中一些关键参数和设计制造中的一些重要问题.在800～1700 nm波段,为了实现单光子探测,SAGM-APD应采用"盖格"工作模式并且论述了其中面临的一些问题.论述了量子保密通信中的门模抑制电路的工作原理及其工作过程中采用符合电路消除暂态信号的方法.     

Direct Measurement of Non-Classical Photon Statistics with a Multi-Pixel Photon Counter

Photon number resolving detectors with high accuracy bring broad applications in long-distance laser ranging, ultrafast spectroscopy, and quantum optics. In this paper, we observed the non-classical photon number distribution directly with a multi-pixel photon counter (MPPC) instead of a classic Hanbury-Brown and Twiss (HBT) system. The detector’s photon-number resolving ability was characterized by quantum detector tomography. To show the quantum feature of the detector, we further plotted the Wigner function, which was obtained corresponding to the positive operator value measure (POVM) elements. Finally, we declared the observation of non-classical photon statistics from a single color center in nanodiamond by using this detector.     

量子雷达探测目标的基本原理与进展

量子雷达作为一种新概念雷达,对经典雷达理论进行了扩展,并具备突破传统雷达在探测和成像等方面性能极限的应用潜力.在量子雷达的众多应用中,实现目标有无的探测是最核心的功能.目前,量子雷达主要包括干涉式量子雷达、接收端量子增强激光雷达和量子照射雷达三种类型.首先通过对量子雷达原理的介绍,梳理量子雷达与经典雷达的关系;然后对三种不同类型量子雷达的优缺点进行分析;最后对量子雷达未来发展中的关键技术进行梳理.     

原子纠缠的突然死亡与复苏

本文运用Ting Yuand J.H.Eberly〔1〕介绍的Λ函数理论和负纠缠理论研究了两个纠缠原子与真空场相互作用时原子纠缠随时间的演化,发现了原子纠缠会出现突然死亡和复苏的现象;讨论了负纠缠理论和Λ函数理论除有良好的对应之外,Λ小于0表示可分离混合态的意义是负纠缠理论和C函数理论所不能赋予的;初态对纠缠死亡等纠缠特性有很大影响。     

海洋开发装备技术发展现状与未来趋势研判

随着我国海洋、江河和地下水资源勘探、开发和利用的日益深入,以及领海主权防卫的军事需求日趋迫切,在水下获取远距离条件下高质量的目标图像已成为水下环境勘测、目标探测与敌我对抗等许多领域迫切需要解决的问题。目前,水下成像探测技术主要有声探测和光电探测两种途径。本文研究了目前主要水下高分辨力光电探测成像技术现状,分析了不同技术途径的优缺点,对比了各种水下探测/成像系统中采用的光电探测器的情况,结合自身技术背景,提出了应加快发展高灵敏度、低噪声、高增益、快响应、宽动态范围、良好线性度的GaAsP光阴极双微通道板像增强器,从而简化光电系统中因探测器性能不佳带来的灵敏度低、噪声大、增益低、处理时间长等不足,加速各种新技术向产品、实用化设备的转化。本文成果对水下光电成像技术发展将有一定支撑作用。     

包含自旋1/2和自旋S的系统中的热纠缠(英文)

研究了一个处在均匀外磁场中的包含四个量子比特的各向同性海森堡XY模型中,两个间隔的量子比特之间的量子热纠缠,并用并发度来量度.这个模型包含两种量子比特:自旋为1/2的量子比特和自旋为S的量子比特.结果表明,外磁场可以引起两个间隔的量子比特之间的量子热纠缠.热纠缠的幅度与自旋S,温度T以及均匀外磁场B有关.因此,可以通过调节B的取值来控制热纠缠.当S足够大时,阈值温度也可能很高.这个特性可以被用于研究凝聚态系统的热纠缠,并且在固体系统进行量子信息研究中也将发挥很大的作用.