IDQuantique超导纳米线单光子探测器实现GHz计数率和动态光子数分辨

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Brian Wang

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）由于其高探测效率、低暗计数率和快速恢复时间，促使几种量子光学技术得以实现。然而，线性光量子计算（LOQC）、准确定性单光子源和量子中继器等技术的广泛应用需要更快的探测器来区分不同的光子数状态。

在3月30发表的文章中, 研究人员利用IDQ公司独立14像素阵列超导纳米线探测器(SNSPD)，在1550nm处实现了90%的系统探测效率（SDE），在系统探测效率(SDE)>80%时,计数率可以达到400MHz. 在系统探测效率45%时，实现了1.5GHz的最大计数率。同时，该探测器具备多光子分辨能力。这样的SNSPD在速度和光子保真度方面提供前所未有的性能，并将有助于推进许多单光子应用。

SNSPD新进展

为了实现SNSPD的光子数分辨(PNR), 通常思路分别是空间复用及时间复用, 以此提高计数率, 已发表文献中能达到的计数率分别是200MHz和10MHz.探测光脉冲时间为几百ps.

IDQ提出了一个由14个独立像素组成的SNSPD阵列，能够在自由运行模式下运行，同时在系统检测效率、抖动、恢复时间和最大计数率方面保持高性能。探测器还支持动态PNR功能，其中动态意味着不受光脉冲持续时间造成的限制. 报告中最大系统检测效率(SDE)为90%，在400 Mcps时仍保持在80%以上，并且我们显示了在绝对SDE为45%的情况下达到1.5 Gcps检测率的能力。

图1. SDE系统探测效率vs Detection rate探测率.实测 SDE 与检出率曲线,在所有 14 个像素都处于活动状态时获取。阵列的最大效率为89.5% ± 0.7%,MCR为1.5Gcps。

探测器结构和制造

我们的多像素SNSPD阵列设计为同时实现高效率、低抖动、高最大计数率和光子数分辨能力。

多像素SNSPD阵列占地约200μm²，由14个以交错几何结构排列的独立像素组成，以确保均匀的光分布，如图2(a)所示。

纳米线具有100nm的宽度和100nm的间距，因此在感光区域中给出0.5的总填充因子。为了避免转弯区域中任何可能降低器件临界电流的电流拥挤效应，41纳米线的宽度逐渐增加到140nm，见图第2（b）段。由于这种设计选择，转弯区域不如直纳米线部分敏感，并且大多保持在感光区域之外。为了最小化转弯的长度，从而最小化每条纳米线的长度，我们选择了7个纳米线覆盖阵列右侧，7个纳米线上覆盖阵列左侧的设计。当单独测试每个像素时，这种分离的效果（我们称之为半交错设计）将变得明显。

该器件集成到一个光学腔中，设计用于最大限度地提高1550纳米的光子吸收。我们使用NbTiN作为超导材料，该材料是在富氮气氛中从NbTi靶溅射而来。超导膜的厚度约为9nm，并表现出8.8K的临界温度（Tc）（见图第2（c）段）。该器件被引线键合到定制的PCB上，并放置在0.8 K的闭循环低温恒温器（ID281，ID Quantique）中。该阵列通过光纤耦合到SMF-28单模光纤，采用自对准封装方案（见图2（d））。每个像素的输出连接到一个定制设计的PCB，放置在40K下，该PCB包含偏置和前置放大器电路。所有信号都用商用放大器在300 K下再次放大，以获得振幅为～0.3 V的输出脉冲。

图2. 14像素SNSPD阵列.

a.扫描电镜SEM 下的探测器阵列.探测器覆盖一个约15.5微米直径的圆形区域, 在耦合SMF-28单模光纤时,可以保证收集99%以上的入射光.

b.着色的部分为两个相邻路径像素.纳米线宽度100nm, 填充因子50%.

c.电阻率与温度关系.显示用于制造SNSPD薄膜材料为铌钛氮NbTiN.

d. 封装好的检测器,光纤耦合,引线焊接到PCB,工作温度0.8K.

单个像素表征

在效率、恢复时间、计数率和抖动方面验证了每个像素的性能(用于这些测量的实验设置的更详细描述可以在支持信息中找到).

图3. 单像素表征。

a, 单像素检测效率实测,在 1550 nm 处作为偏置电流的函数。

b, 14个像素的恢复时间测量. 所有像素的 RT90% 均低于 6 ns。

c，每个像素的计数率曲线.使用 1550 nm 的 CW 激光器和固定偏置电流测量. 每个像素都有~100 Mcps 的最大计数率。

d，14 个像素的抖动测量, 平均 FWHM 21ps抖动,所有像素之间的高度均匀性。

多光子探测

本次报告中,IDQ超导纳米线阵列对比以往文献中报导的光纤耦合SNSPD，极大提高了光子数分辨能力。对于2-photon和3-photon的探测保真率分别达到了74%和57%, 而此前仅为48%和9%。

表格1. 对于多光子事件(最多8个光子)检测率矩阵

关于IDQ公司

ID Quantique成立于2001年，最初是日内瓦大学的一家分拆公司，致力于研究项目，以证明量子密钥分发（或QKD，也称为量子密码学）的可行性。2003年底，IDQ开发了第一款用于数据中心的QKD产品，以保护传输中的数据。20年后，IDQ发布了第四代量子密钥分发系统，仍然是量子安全密码学和量子传感解决方案的市场领导者。它通过参与众多研究项目与学术机构保持密切联系，并在推动创新进入市场的前沿项目中发挥主导作用。