光量子信息利器——超導納米線單光子探測器
|作者：尤立星1,2
(1 賦同量子科技(浙江)有限公司)
(2 中國科學院上海微系統與信息技術研究所 超導電子實驗室）
本文選自《物理》2021年第10期
摘要利用超導宏觀量子效應與環境電磁場的相互作用，超導探測器可以實現量子極限靈敏度探測。超導納米線單光子探測器(SNSPD)具備高探測效率、低暗計數等優異的性能，已經在量子信息、深空通信、激光雷達等領域得到了廣泛的應用，併爲中國“九章”光量子計算原型機、量子密鑰分發等領域達到國際領先水平提供了核心探測技術支持。文章簡述了SNSPD的基本原理，對其性能、製冷技術、應用以及常見的問題等進行了介紹，並對未來發展做了展望。
關鍵詞單光子探測，探測效率，量子信息
1引 言
2020年12月4日，Science在線發表了中國科學技術大學、中國科學院上海微系統與信息技術研究所和國家並行計算機工程技術研究中心的合作成果：76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了“高斯玻色取樣”任務的快速求解。這一成果使得中國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優越性(國外也稱爲“量子霸權”)，併入選了“兩院院士評選的2020年十大科技進展新聞”[1]。“九章”的成功可以說是衆多技術的集大成者，其中一項核心的技術就是超導納米線單光子探測(superconducting nanowire single photon detector，SNSPD)技術。“九章”共使用了100個平均系統探測效率爲0.81的高性能SNSPDs。2021年7月1日，“九章2.0”在線公佈了預印本[2]，光子數從1.0版本的76個提升至2.0版本的113個，這也是所有物理體系中量子信息處理單位數量首次突破100個。而其中SNSPD的數目也從100個提升至144個，平均系統探測效率提升至0.83。
其實，除“九章”以外，SNSPD在量子信息等衆多領域都已經大顯身手，有力推動了量子信息等領域的科技進步[3]。比如，SNSPD多次應用於量子密鑰分發，多次創造並長期保持了光纖量子密鑰分發距離紀錄[4，5]；成功實現量子隨機數發生器[6]、量子力學非定域性驗證[7]、深空通信[8]、激光雷達[9]和表面化學[10]等應用。
本文將介紹SNSPD的研究背景、基本特性和相關應用，並就一些大家通常比較關注的問題進行簡單的探討。
2發展歷程
過去幾十年，隨着對量子世界認識的不斷加深以及實驗技術的進步，人類對微觀體系的量子態檢測與調控能力逐漸增強，量子信息技術也逐漸走上臺前，並被稱爲“第二次量子革命”。光是電磁波譜中人類瞭解最爲全面的波段，光子也是最易產生、操控、傳輸及探測的量子態載體之一，因此，光量子信息技術也在量子信息技術中扮演着重要的角色。光量子信息中量子比特的載體是單個光子。因此，單光子探測器(single photon detector，SPD)就成爲光量子信息技術中的核心器件。
由於信息技術對器件性能要求極高，傳統的光電倍增管、半導體雪崩光電二極管等SPD已難以完全滿足光量子信息技術的需求。在此背景下，SNSPD的出現可謂是恰逢其時。實際上，基於超導材料的SPD除了SNSPD以外，超導轉變邊沿探測器和超導隧道結探測器也可以用於單光子探測，但是受到其性能、工作條件及成本等制約無法實現規模化應用。
2001年，俄羅斯Gol′tsman團隊首次報道了利用200 nm寬、5 nm厚超導氮化鈮(NbN)薄膜納米線實現810 nm波長單光子探測的實驗結果，拉開了SNSPD發展的序幕 [11]。2006年，美國NIST首次將SNSPD應用於量子密鑰分發，顯示其在量子信息領域的巨大應用潛力，可以說是給SNSPD的發展提供了強大的助推力 [12]。如今，美國、日本、荷蘭、德國、俄羅斯和中國等數十個國家的幾十個研究團隊都在積極開展相關的研究工作，在不斷增強對SNSPD機理理解的同時，推動了SNSPD技術的飛速發展。在量子信息等領域的應用需求驅動下，全球已出現多家小型高科技公司，實現了SNSPD的小規模產業化，並推動了它的廣泛應用。SNSPD可以說是超導電子學領域迄今爲止發展最爲成功的一類超導探測器。今年恰逢SNSPD誕生20週年，回顧這段歷史具有特別的意義。
3基本原理
超導材料是在特定溫度下呈現零電阻的一類特殊材料，超導電子學是利用超導材料開展電子學相關研究的一個專門學科。利用超導材料製備的傳感器、探測器通常具備高靈敏度、低噪聲、高速度等優勢，可以在很多領域發揮不可替代的作用。
對於SNSPD來說，要簡單地闡述其基本機理，我們只需要理解兩點即可。
(1)超導BCS理論告訴我們，超導的形成是在特定溫度(超導臨界溫度)以下，材料中的兩個電子通過電聲子相互作用而發生耦合配對，形成超導庫珀對，庫珀對可以在材料中實現無阻的運動。庫珀對具有一定的結合能(超導能隙)，如果庫珀對吸收的能量大於該結合能，庫珀對就會被拆散而形成準粒子，最終破壞超導態，呈現電阻態。對於典型的低溫超導材料NbN來說，庫珀對的能量約爲6.4 meV。而光子的典型能量在1 eV左右，比如光纖通信的1550 nm波長對應的光子能量爲0.8 eV。簡單地估算，如果一個光子被超導材料吸收之後，它的能量就可能破壞數百個超導庫珀對，從而在超導材料中形成一個局域的有電阻的熱點(hot spot)。也可以說超導材料吸收光子後發生了微觀局域超導態到有阻態的相變。對於SNSPD來說，這個典型的熱點大小在幾十納米。
(2)要實現單光子探測，就需要將上述的微觀相變轉換爲一個可以測量的物理量。對於一片宏觀的超導薄膜材料來說，吸收一個光子發生的變化，相當於在太平洋中投入一個石頭。石頭再大，其對海洋的影響也幾乎可以忽略。如果我們將海洋換成一條河流，投入的石頭不需要太大，就會對河水的流動產生明顯的影響，甚至能夠造成河流的阻塞。SNSPD的納米線結構就是類似的原理。首先將超導薄膜材料加工成一條納米線，線寬要和熱點的尺寸可以比擬；其次要保證納米線足夠薄，一方面可以保證熱點的薄膜面內尺寸足夠大，另外一方面吸收光子之後納米線產生的熱量能夠快速地通過襯底擴散掉，確保器件能夠繼續工作，實現可持續的光子探測。
圖1 (a)SNSPD探測機理圖；(b)SNSPD電路系統，藍色虛線框內爲SNSPD等效電路；(c)SNSPD響應脈衝波形，其中插圖爲SNSPD納米曲折線結構示意圖[3]
基於以上兩點構造的SNSPD器件工作原理如圖1所示。爲了有效地增強納米線對入射光子的吸收能力，人們通常將納米線加工成曲折線結構，形成特定尺寸的光敏面(圖1(c)插圖)。圖1(a)詳細圖解了SNSPD的工作原理。給超導納米線施加一個偏置電流(a-i)，該電流接近但稍小於納米線的臨界電流。納米線吸收光子之後，會產生一個熱點(a-ii)，這使得熱點周圍的電流密度超過納米線能夠承載的臨界電流密度，周圍的超導態就會被破壞，使得熱點長大(a-iii)，導致一個橫跨整個納米線的有阻區出現(a-iv)。從而將納米線上的電流排斥到納米線的讀出電路中(圖1(b))。這個有阻區在電流動態變化和焦耳熱通過襯底弛豫的電熱動態反饋的互作用下，呈現先長大再減小(a-v&a-vi)，最終恢復超導態的過程(a-i)。整個過程的結果就是在納米線兩端出現一個電壓脈衝，該脈衝呈現上升沿很快，下降沿較慢的過程(圖1(c))，脈衝寬度主要由納米線的動態電感決定，器件光敏面越大，線條越長，動態電感也就越大，典型的響應脈寬在幾個納秒到幾十個納秒之間。
需要說明的是，典型的SNSPD是一個開關型器件，它具備單光子探測能力，但是其響應波形並不對光子能量或者光子數具有明顯的分辨能力。因爲響應波形的特性主要由SNSPD的材料、偏置電流和動態電感等參數確定。就像我們日常用的電開關一樣，它可以讓燈點亮，但是給燈供電的並不是開關，而是電網。
和其他超導探測器相比，SNSPD能夠迅速實現規模化應用有幾點原因：(1)工藝和結構非常簡單：僅需單層超導薄膜，且超導薄膜加工需要單層工藝即可實現；(2)讀出電路簡單：典型光子響應的脈衝原始信號幅度在亞毫伏量級，僅需要使用室溫低噪聲放大器即可獲得較高信噪比的信號；(3)魯棒性強：作爲一個光電探測器，實現了光子到電脈衝的轉換，可以說是光數字信號到電數字信號的轉換，抗環境噪聲能力強。同時它和超導約瑟夫森結型器件的不同之處在於，SNSPD對環境磁場不敏感，且器件電阻通常在MΩ量級，抗靜電及環境干擾能力強；(4)通常SNSPD採用NbN等低溫超導材料製備，僅用液氦溫區兩級小型製冷機即可實現，系統可靠性強，可7×24小時不間斷運行。即使從最保守的角度來看，SNSPD也可以作爲一個高性能的高端科研裝備，滿足衆多研發領域對高性能SPD的需求。
4性能參數
作爲一個單光子探測器，SNSPD的評價指標主要包括探測效率、暗計數率、速度(死時間)和時間抖動等。此外，響應波長、光敏面尺寸、帶寬、光子數分辨能力、陣列數、飽和計數率也是一些應用中經常需要考慮的性能參數。
探測效率是SNSPD的最核心指標。從應用的角度來看，SNSPD系統探測效率由光耦合效率、吸收效率和本徵探測效率三個因素的乘積決定。成熟的光學技術(光學薄膜、透鏡光學、光學仿真計算等)和超導薄膜及微納加工技術，使得以上三個因素都能夠做到近乎理想。2020年末，中國科學院上海微系統與信息技術研究所、美國NIST、荷蘭TU Delft三個團隊都先後報道了系統探測效率超過98%的SNSPD(圖2)[13—15]，這意味着SNSPD的系統探測效率已經接近了100%的極限。但是如何能夠滿足應用需求，進一步發展和優化光學和超導薄膜及加工技術，實現科研實驗少量使用到產業化批量供貨能力的提升，還有很多細節的研發工作需要繼續開展。
圖2 中國科學院上海微系統與信息技術研究所研發的基於雙層納米線的SNSPD示意圖，其最高探測效率達98%
暗計數率是代表SNSPD噪聲水平的指標。作爲一個探測器，不僅信號響應能力(探測效率)要足夠高，噪聲也要足夠低。SNSPD是一個光量子極限靈敏度的探測器，對黑體輻射光子都有探測能力，這種黑體輻射甚至可以來源於與探測器相連的光纖本身。黑體輻射響應計數就構成了SNSPD的背景暗計數，一般單模光纖耦合的SNSPD的背景暗計數在幾十到數百cps(每秒鐘計數)範圍。由於黑體輻射具有寬譜特性，只需要在接近探測器的深低溫端引入帶通濾波器，就可以濾掉絕大多數的背景暗計數，實現1cps甚至更低的暗計數率[16]。除了背景暗計數以外，探測器在偏置電流非常接近於臨界電流時，會產生超導納米線自發的渦旋運動引起的本徵暗計數，本徵暗計數和偏置電流呈指數線性上升關係，會遠高於背景暗計數。但是對於應用來說，只要適當降低偏置電流，就可以在保證系統高探測效率的同時有效避免本徵暗計數的影響。
SNSPD的速度(死時間)對於通信和計算等應用非常關鍵。探測器產生一個光子響應後會存在一個恢復時間。在此時間內，器件上的電流呈現先快速減小後逐漸增加的過程，因此其探測能力也是逐漸恢復的，恢復時間主要由器件的動態電感(正比於納米線的長度)決定。器件的死時間或者速度的簡單估算可以通過光子響應脈衝的寬度來計算。一般SNSPD的速度在幾兆到幾十兆赫茲範圍之內。如果想要提升SNSPD的速度，最簡單的方法就是減小納米線的長度。或者將一根納米線分成多根納米線，這樣既能保障有效的光敏面尺寸，同時可以提升器件的速度[17]。
時間抖動表徵的是探測器光子響應在時域上的不確定性，它直接決定了基於飛行時間的激光雷達的測距精度。時間抖動與探測系統的電子學、響應信號信噪比、器件的幾何尺寸等因素有關。儘管實驗研究顯示超導納米橋的本徵時間抖動可以優於3 ps[18]，對於一個實用的SNSPD 器件來說，最優抖動一般可以做到20 ps 以下。
5製冷技術
SNSPD最核心的支撐技術是製冷技術。對於NbN和NbTiN等材料的SNSPD來說，一般工作溫度在2 K以上，採用商用的小型G-M二級製冷機就可以實現，主要產品提供商包括日本住友和南京鵬力超低溫等。對於WSi和MoSi等材料的SNSPD，可以在上述二級製冷機基礎上增加一級吸附製冷，從而實現最低溫度達到1 K以下的製冷機。儘管上述製冷機技術已經爲SNSPD產品化提供了核心支持，但是其成本和可靠性也是SNSPD系統性能的主要制約因素，一定程度上也是SNSPD規模化應用的主要瓶頸。
值得一提的是，中國科學院理化技術研究所在面向空間應用的2K溫區小型製冷機研發已經取得突破。中國科學院上海微系統與信息技術研究所利用該製冷機實現了SNSPD系統探測效率超過90%，達到了國際領先水平，爲SNSPD的空間應用鋪平了道路[19]。
6應用與產業化
SNSPD的快速發展與量子信息等領域的應用需求驅動是密不可分的，過去十年也是一個應用驗證與SNSPD技術發展互相成就的十年。比如，光纖量子密鑰分發的距離不斷創造新紀錄，從2014年的200 km到2021年的600 km，都離不開高性能SNSPD的使用。從光量子計算的飛速發展到兩代“九章”光量子計算原型機的誕生，SNSPD可以說是系統的使能技術。2013年美國NASA的LLCD項目，利用地面基站的高速SNSPD陣列，首次實現了繞月軌道衛星和地球之間的直接光通信，最高速度達到622 Mbps，被譽爲空間光通信的里程碑[8]。大量的其他應用無法一一羅列，相信未來還會有更多新型應用不斷涌現。
大量的應用需求也推動了SNSPD的產業化。目前國際上共有6家以SNSPD爲核心產品的小型高科技公司，包括中國唯一一家由中國科學院上海微系統與信息技術研究所孵化的賦同量子科技(浙江)有限公司[20]。這些公司的產品性能基本處於同一水平。令人自豪的是，賦同量子科技(浙江)有限公司不僅實現了SNSPD系統的商業化銷售，還實現了對部分已進口產品的升級替代，且國內市場佔有率達到六成以上，徹底改變了該領域高端科研裝備主要依賴進口的局面。
7展 望
SNSPD經過20年的發展，其性能優勢已經得到了充分的證明，它將會在量子信息領域持續發揮不可替代的作用。同時，量子信息技術以及其他領域的發展也對SNSPD提出了更高的要求。比如面向自由空間應用需求，如何實現大光敏面和更高速度的SNSPD；能否實現其他波長，比如中遠紅外、紫外以及X射線等波段的高性能SNSPD；能否進一步提升工作溫度，提高SNSPD系統的綜合競爭力(尺寸、重量及功耗)。這些問題都等待着SNSPD領域研究人員去解決。我們對SNSPD的未來發展和應用也充滿信心。
超導納米線單光子探測器小知識
▲螺旋結構超導微米帶單光子探測器結構圖
1 高溫超導SNSPD可行嗎？
這是一個大家普遍關心的問題。超導材料的能隙電壓和臨界溫度成正比，這意味着高溫超導庫珀對的能量比低溫超導材料庫珀對能量大數倍以上。因此，從探測機理上來講，光子對高溫超導庫珀對拆對能力會弱很多，因此會明顯影響SNSPD的探測效率。如果高溫超導SNSPD性能相對於非超導SPD不能存在壓倒性優勢，其應用可能性極低。此外，高溫超導材料通常是多元素組分，結構複雜，高溫超導超薄薄膜的穩定性、納米尺度的均勻性和納米線加工的一致性都存在着巨大的挑戰。因此到目前爲止，只有少量利用高溫超導材料(YBCO和MgB2等)製備SNSPD的探索性嘗試，尚無具備可靠性能的高溫超導SNSPD報道。
2 一定要納米線嗎？
SNSPD加工工藝最大的挑戰來源於高度均勻的納米線加工，其典型的厚度:寬度:長度比達到1:20:200000。實現納米線的主要技術手段是電子束曝光，這也成爲大面積SNSPD製備的主要技術制約。能否實現高性能的更大線寬的SNSPD(微米線是否可行？)，是SNSPD研究的重要議題。2017年俄羅斯科學家的理論研究工作表明，如果能夠讓SNSPD的臨界電流接近於其拆對電流(de-pairing current)，即使是微米線，也可以實現高的本徵探測效率[21]。2021年，中國科學院上海微系統與信息技術研究所率先報道了結合雙螺旋結構和離子注入技術的超導微米帶單光子探測器(superconducting microstrip single photon detector，右圖)，其系統探測效率達到了90%以上[22]。這也揭示進一步發展基於光學曝光技術，製備更大光敏面超導單光子探測器的可行性。
3 關於SNSPD的命名
需要補充說明的是關於該類器件的命名，儘管學界普遍使用超導納米線單光子探測器(superconducting nanowire single photon detector)這個名字，但是由於其厚度和寬度比一般達到1:20甚至更大，並不是嚴格意義上的納米線，更像一個納米帶。因此在國際標準(IEC61788-22-1)中，該類器件被命名爲superconducting strip photon detector[23]。顯然，該名字也適用於上述的微米帶結構。
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