近日，中科院上海微系統(tǒng)所的尤立星團隊與中科院理化所梁驚濤團隊在面向空間應用的超導單光子探測器（SNSPD）技術(shù)領域再次取得突破，打破自身2018年創(chuàng)造的紀錄，實現(xiàn)了通信波段探測效率93%的新的世界紀錄，為我國開展基于超導單光子探測器的深空通信、空間量子信息等應用奠定了基礎。該研究成果于2021年5月20日（北京時間）以《系統(tǒng)探測效率達到93%的基于可空間應用制冷機的超導單光子探測器（Superconducting single-photon detector with a system efficiency of 93% operated in a 2.4 K space-application compatible cryocooler）》為題，以快報（Letter）形式在線發(fā)表在超導領域國際學術(shù)期刊《Superconductor Science and Technology》上。

超導納米線單光子探測器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作為一種高性能的單光子探測器，已經(jīng)廣泛的應用于量子信息、激光雷達、深空通信等領域，有力推動了相關領域的科技進步。然而，迄今為止，所有的SNSPD都只在地面實現(xiàn)了應用驗證，包括美國NASA 2013年的月地激光通信（LLCD）項目，也僅是在地面接收站使用了超導單光子探測器。如果能夠在空間應用中采用SNSPD，有望推動空間光學天文觀測、深空光通信、空間量子信息等技術(shù)的跨越式發(fā)展。而制約SNSPD空間應用的主要因素是制冷技術(shù)。SNSPD通常需要在液氦（4.2K）以下溫區(qū)工作，典型的解決方案是采用商用的G-M二級閉合循環(huán)制冷機。包括我國一家SNSPD產(chǎn)業(yè)化公司——賦同科技在內(nèi)6家公司SNSPD商業(yè)化產(chǎn)品都采用類似的制冷技術(shù)。然而這類制冷機采用了油潤滑壓縮機，冷頭有運動部件，而且受到體積、重量功耗制約，無法實現(xiàn)空間應用。

瞄準空間應用對高性能單光子探測技術(shù)的迫切需求，科研人員一直在努力發(fā)展面向空間應用的小型液氦溫區(qū)制冷機技術(shù)，并期望將其和高性能SNSPD結(jié)合以實現(xiàn)可空間應用的高性能SNSPD系統(tǒng)。2017年1月，美國NIST報道了一個基于三級脈管加JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機，然而其JT的壓縮機尚未成功研制【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】。2017年9月，英國Glasgow大學報道了一個可空間應用的基于斯特林+JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機，溫度只能達到4.2K。利用該制冷機實現(xiàn)了SNSPD系統(tǒng)，但是性能非常有限（1310 nm波長/暗計數(shù)KHz/探測效率僅20%），和半導體探測器性能相當【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】。中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團隊和中科院理化所梁驚濤團隊通力合作開展面向空間應用的SNSPD系統(tǒng)研發(fā)。微系統(tǒng)所成功研發(fā)了高性能的SNSPD，理化所成功研發(fā)了可實現(xiàn)空間應用的二級脈管+JT節(jié)流技術(shù)小型制冷機，無負載工作溫度可達到2.6K。在雙方聯(lián)合攻克一系列集成技術(shù)難題后，我國在國際上實現(xiàn)了1550nm工作波長探測效率超過50%的SNSPD系統(tǒng)【Optics Express 26: 2965 (2018)】。這一成果展示了SNSPD相對于傳統(tǒng)半導體單光子探測器在空間應用中的性能優(yōu)勢及巨大潛力。

2020年，上海微系統(tǒng)所利用三明治結(jié)構(gòu)超導納米線實現(xiàn)SNSPD 98%的效率紀錄【Optics Express 28: 36884 (2020)】。與此同時，北京理化所依托在空間制冷領域的持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，對制冷機進行了進一步的優(yōu)化，制冷機的體積和工作溫度得到了進一步降低（圖1）。雙方在此基礎上再次合作，成功實現(xiàn)了探測效率93%的可空間應用的超導單光子探測系統(tǒng)（圖2），刷新了我國保持了兩年多的系統(tǒng)探測效率紀錄。該成果對于SNSPD的空間應用具有廣泛而深遠的意義。

圖1 代（左）與第二代（右）制冷機真空腔尺寸對比

圖2 SNSPD系統(tǒng)探測效率（紅色曲線）和暗計數(shù)（藍色曲線）隨偏置電流變化曲線

論文作者為上海微系統(tǒng)所博士生胡鵬和理化所馬躍學助理研究員，通信作者為上海微系統(tǒng)所李浩研究員、尤立星研究員以及理化所劉彥杰副研究員。本工作獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市科委、上海市啟明星 、上海市優(yōu)秀學術(shù)帶頭人以及中科院青年創(chuàng)新促進會等項目資助。