瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Hugo Zbinden團(tuán)隊(duì)與ID Quantique公司合作，將14根超導(dǎo)納米線(xiàn)并行，形成光敏面約15微米的SNSPD，該探測(cè)器速度比單線(xiàn)條SNSPD計(jì)數(shù)率快了20倍。利用該高速SNSPD，團(tuán)隊(duì)在10公里的光纖上實(shí)現(xiàn)了64Mbps(bits per second，每秒比特率)的實(shí)時(shí)量子密鑰成碼率。
日內(nèi)瓦大學(xué)多像素SNSPD圖片
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、徐飛虎等與上海微系統(tǒng)所尤立星等合作，利用8根并行納米線(xiàn)形成的光敏面約15微米的SNSPD，實(shí)現(xiàn)了每秒輸入5.5億個(gè)光子的情況下仍能保持62%的探測(cè)效率。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)在10公里的光纖上實(shí)現(xiàn)了115.8 Mbps的實(shí)時(shí)量子密鑰成碼率。近期的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展相比此前國(guó)際上報(bào)道的同等距離下最高實(shí)時(shí)成碼率(10 Mbps)有了大幅提升，對(duì)未來(lái)量子通信的規(guī)模化實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
量子通信的距離和速率長(zhǎng)期受到單光子探測(cè)器性能的限制。SNSPD具有高探測(cè)效率、低暗計(jì)數(shù)、低時(shí)間抖動(dòng)和高速等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在量子通信實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造了多項(xiàng)性能紀(jì)錄。然而，量子通信的發(fā)展也對(duì)SNSPD的性能逐漸提出了更高的要求，更高的光子響應(yīng)速度就是重要的需求之一。SNSPD的工作機(jī)理是單光子觸發(fā)的超導(dǎo)納米線(xiàn)的超導(dǎo)態(tài)到有阻態(tài)的相變，其理論速度極限由熱弛豫時(shí)間決定，最高可以達(dá)到數(shù)十GHz，但是其納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)決定了SNSPD具有較大的動(dòng)態(tài)電感。因此，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中SNSPD速度一般由其動(dòng)態(tài)電感決定，典型SNSPD光子響應(yīng)速度在10 Mcps(counts per second，每秒計(jì)數(shù)率)左右。
隨著SNSPD光敏面的增大，器件的速度也會(huì)越來(lái)越慢，為了解決速度的問(wèn)題，最常見(jiàn)的做法就是構(gòu)造多像素陣列結(jié)構(gòu)，在相同光敏面積內(nèi)，用多根納米線(xiàn)代替單根納米線(xiàn)，從而使得SNSPD的電感大幅減小，理論速度提升最高可達(dá)N2倍(N為納米線(xiàn)根數(shù))。利用陣列結(jié)構(gòu)提升器件速度早有先例，最具代表性的成果是2013年美國(guó)NASA將陣列SNSPD器件作為L(zhǎng)LCD計(jì)劃的深空激光通信地面接收終端探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了繞月衛(wèi)星到地面速度超過(guò)600Mbps的直接激光通信[4]。
對(duì)于面向量子通信使用的小光敏面高速器件，最有效的方式是并行型的納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的典型特點(diǎn)是，無(wú)論入射光場(chǎng)呈現(xiàn)何種統(tǒng)計(jì)分布，都盡可能的保證每根納米線(xiàn)接收到的光子數(shù)基本一致，從而確保高速率的實(shí)現(xiàn)。2019年，上海微系統(tǒng)所報(bào)道了16像素最高速度達(dá)到1.5Gcps的SNSPD[5]，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)SNSPD最高速度的記錄。同時(shí)，上海微系統(tǒng)所在SNSPD探測(cè)效率方面也保持著98%的世界最高水平。該SNSPD根據(jù)應(yīng)用需要，通過(guò)進(jìn)一步增加線(xiàn)的數(shù)量，其速度還可以進(jìn)一步提升;同時(shí)通過(guò)超導(dǎo)材料優(yōu)化和物性調(diào)控，也可以降低器件的動(dòng)態(tài)電感，從而實(shí)現(xiàn)速度的進(jìn)一步提升。2023年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了硅芯片上32根氮化鈮超導(dǎo)納米線(xiàn)探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)高精度的高計(jì)數(shù)率，最高速度達(dá)到5.3Gcps。
上海微系統(tǒng)所研發(fā)的8像素并行SNSPD SEM圖片
SNSPD的各項(xiàng)性能指標(biāo)都還有一定的提升空間，重要的如何和應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，發(fā)展?jié)M足應(yīng)用需求的高性能SNSPD。未來(lái)，高性能SNSPD還會(huì)給量子通信的持續(xù)發(fā)展源源不斷的提供動(dòng)力支持。
