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(yīng)用的超導(dǎo)單光子探測器（SNSPD）技術(shù)領(lǐng)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(dǎo)單光子探測器的深空通信、空間量子信息等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。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(yīng)用制冷機的超導(dǎo)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(dǎo)領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)期刊《Superconductor Science and Technology》上。

超導(dǎo)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(yīng)用于量子信息、激光雷達、深空通信等領(lǐng)域，有力推動了相關(guān)領(lǐng)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(yīng)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(dǎo)單光子探測器。如果能夠在空間應(yīng)用中采用SNSPD，有望推動空間光學(xué)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(yīng)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(yīng)用。

瞄準(zhǔn)空間應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)報道了一個可空間應(yīng)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(dǎo)體探測器性能相當(dāng)【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(yīng)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(yīng)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(dǎo)體單光子探測器在空間應(yīng)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(dǎo)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(lǐng)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(chǔ)上再次合作，成功實現(xiàn)了探測效率93%的可空間應(yīng)用的超導(dǎo)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(yīng)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(xué)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(xué)基金、上海市科委、上海市啟明星 、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人以及中科院青年創(chuàng)新促進會等項目資助。