超导纳米线单光子探测器（SNSPD）与最具竞争力的半导体技术相比，代表了单光子探测领域的最佳成果。

它们具有许多重要的优势：无与伦比的系统探测效率和计时精度、可忽略的固有暗计数、超快探测速率和宽波段运行，所有这些都具有相对简单的低温学和器件物理原理。它们正迅速成为从量子光学到光量子计算等广泛应用的首选探测器。

SNSPD：概述

SNSPD 的工作原理是将纳米级超导材料保持在其临界温度以下，并以紧凑的曲折几何形状形成图案，以在二维探测器平面上创建具有高探测效率的圆形像素。SNSPD 吸收单个光子会导致纳米线电阻出现快速可观察到的峰值，低温读出电路会向用户发送皮秒级精确的电脉冲，使用现成的时间相关单光子计数器设备即可轻松记录。

通过正确的光学腔设计，几乎每个光子都会在以您选择的波长为中心的宽光谱范围内被纳米线吸收。结合在低温下工作时的低环境光，总体结果是一个令人难以置信的高性能单光子探测器，具有无与伦比的系统探测效率、恢复速度、计时精度和可忽略不计的噪声。

探测器工作原理

在运行 SNSPD 时，纳米线被冷却到其临界温度以下，并用接近但小于纳米线临界电流的直流电进行偏置。入射到纳米线上的光子将通过形成具有有限电阻的局部非超导区域或热点来破坏超导性。

纳米线电阻的这种变化是通过电子读出电路来测量的（见图 2）。该电阻尖峰 (~1 kΩ) 远大于读出放大器的输入阻抗 (50 Ω)，因此大部分偏置电流被分流至放大器。这会产生一个可测量的电压脉冲，该电压脉冲大约等于偏置电流乘以电阻。随着大部分偏置电流流过放大器，非超导区域迅速冷却并返回超导状态，准备检测另一个光子。

重要的是，请注意，SNSPD 生成的信号是模拟电脉冲，需要进一步的时间相关单光子计数器将这些脉冲转换为数字信息。有关 IDQ 一体化时间标记、符合相关和延迟/脉冲生成仪器系列的更多信息，请参阅我们的ID1000 时间控制器系列产品页面。

读出电路原理图如下所示（见图2）。SNSPD 由电流发生器通过偏置 T 形管提供的电流 Ib 进行偏置。探测器可以通过代表纳米线动态电感的电感 Lk 进行一阶建模，该电感 Lk 串联到可变电阻器，当纳米线具有超导性时，其值为 0，吸收光子后，Rhs ≈ 1 kΩ。

电流被分流至读出电路，纳米线迅速冷却并返回热平衡。这使得电流以时间常数  ≈ Lk/RL 返回纳米线，其中 RL ≈ 50 Ω 是典型负载电阻。

实际上，探测后SNSPD效率的恢复与电流的变化以及探测效率和偏置电流之间的关系有关。这一过程在出版物“超导纳米线单光子探测器的恢复时间的直接测量”，C. Autebert 等人，应用物理杂志 128, 074504 (2020) 中有详细描述。

图2： SNSPD电信号读出

ID281超导纳米线系列

IDQ 的使命是为您的光子研究和应用提供支持。这就是为什么我们很高兴能够提供一系列先进的 SNSPD 系统 – ID281 超导纳米线系列。ID281 已从大约 10 年前的实验系统发展成为如今完全工业化的产品，并在很短的交货时间内向全球发货。

我们不断开发这项技术以带来更好的性能。我们制造和测试大量探测器的能力反馈到我们的研发工作中，从而缩短了开发周期并实现了快速创新。用户反馈有助于将这些努力转化为改进，从而对您的应用和实验产生真正的影响。

截至本页发布（2023 年 7 月）的最新进展包括显着改善定时抖动和检测效率的探测器、从 < 600 nm 到 > 2 μm 的高系统探测效率，以及用于提高光子数分辨 (PNR) 的新探测器设计和超快探测。我们的技术规格不断改进，因此请联系我们以获取最新开发信息。

选定的应用实例

• 量子存储器 (ICFO)： 利用量子存储器进行单光子控制（2022 年 8 月）
• 量子信息和量子光学 (CNRS)： 纠缠的力量（2022 年 7 月）
• 计量与传感（华沙大学）： 利用量子不对称性（2022 年 6 月）
• 量子光源（俄勒冈大学）： 可扩展且高容量的量子光源（2022 年 2 月）
• QKD 和量子通信（帕多瓦大学）： 使用 ID281 SNSPD 在高损耗光纤通道上基于偏振的 QKD（2020 年 4 月）