梁惊涛等：面向空间应用的超导单光子探测技术取得重要突破

shenhua

近日，中科院理化所梁惊涛团队与中科院上海微系统所的尤立星团队在面向空间应用的超导单光子探测器（SNSPD）技术领域再次取得突破，打破自身2018年创造的纪录，实现了通信波段最大探测效率93%的新的世界纪录，为我国开展基于超导单光子探测器的深空通信、空间量子信息等应用奠定了基础。该研究成果于2021年5月20日（北京时间）以《系统探测效率达到93%的基于可空间应用制冷机的超导单光子探测器（Superconducting single-photon detector with a system efficiency of 93% operated in a 2.4 K space-application compatible cryocooler）》为题，以快报（Letter）形式在线发表在超导领域国际著名学术期刊Superconductor Science and Technology上。

图1 第一代（左）与第二代（右）制冷机真空腔尺寸对比

图2 SNSPD系统探测效率（红色曲线）和暗计数（蓝色曲线）随偏置电流变化曲线

　　超导纳米线单光子探测器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作为一种高性能的单光子探测器，已经广泛地应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技进步。然而，迄今为止，所有的SNSPD都只在地面实现了应用验证，包括美国NASA2013年的月地激光通信（LLCD）项目，也仅是在地面接收站使用了超导单光子探测器。如果能够在空间应用中采用SNSPD，有望推动空间光学天文观测、深空光通信、空间量子信息等技术的跨越式发展。而制约SNSPD空间应用的主要因素是制冷技术。SNSPD通常需要在液氦（4.2K）以下温区工作，典型的解决方案是采用商用的G-M二级闭合循环制冷机。包括我国唯一一家SNSPD产业化公司——赋同科技在内的全球6家公司SNSPD商业化产品都采用类似的制冷技术。然而这类制冷机采用了油润滑压缩机，冷头有运动部件，而且受到体积、重量功耗制约，无法实现空间应用。
　　瞄准空间应用对高性能单光子探测技术的迫切需求，全球科研人员一直在努力发展面向空间应用的小型液氦温区制冷机技术，并期望将其和高性能SNSPD结合以实现可空间应用的高性能SNSPD系统。2017年1月，美国NIST首次报道了一个基于三级脉管加JT节流技术的小型制冷机，然而其JT的压缩机尚未成功研制【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】。2017年9月，英国Glasgow大学报道了一个可空间应用的基于斯特林+JT节流技术的小型制冷机，最低温度只能达到4.2K。利用该制冷机实现了SNSPD系统，但是性能非常有限（1310 nm波长/暗计数KHz/探测效率仅20%），和半导体探测器性能相当【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】。中科院理化所梁惊涛团队和中科院上海微系统所尤立星团队通力合作开展面向空间应用的SNSPD系统研发。理化所成功研发了可实现空间应用的二级脉管+JT节流技术小型制冷机，最低无负载工作温度可达到2.6 K，微系统所成功研发了高性能的SNSPD。在双方联合攻克一系列集成技术难题后，我国在国际上首次实现了1550nm工作波长探测效率超过50%的SNSPD系统【Optics Express 26: 2965 (2018)】。这一成果首次展示了SNSPD相对于传统半导体单光子探测器在空间应用中的性能优势及巨大潜力。
　　2020年，中科院理化所依托在空间制冷领域的持续技术创新，对制冷机进行了进一步的优化，制冷机的体积和最低工作温度得到了进一步降低（图1）。与此同时，上海微系统所利用三明治结构超导纳米线实现SNSPD 98%的效率纪录【Optics Express 28: 36884 (2020)】。双方在此基础上再次合作，成功实现了最大探测效率93%的可空间应用的超导单光子探测系统（图2），刷新了我国保持了两年多的系统探测效率纪录。该成果对于SNSPD的空间应用具有广泛而深远的意义。
　　论文第一作者为上海微系统所博士生胡鹏和理化所马跃学助理研究员，通信作者为上海微系统所李浩研究员、尤立星研究员以及理化所刘彦杰副研究员。本工作获得了国家重点研发计划（2017YFA0304000、2018YFB0504600）、国家自然科学基金（61971408、61827823、51806228、51776213）、上海市科委（2019SHZDZX01）、上海市启明星 (20QA1410900)、上海市优秀学术带头人(18XD1404600)以及中科院青年创新促进会 (2020241、2020027)等项目资助。


　　论文原文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6668/abff14
　　科学网报道链接：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/5/458280.shtm
　　中国科学报报道链接：http://wap.sciencenet.cn/mobile. ... 362852&mobile=1


       文章来源：理化所
       梁惊涛，男，工学博士，1965年10月生，中国科学院理化技术研究所研究员、脉冲管制冷与空间低温系统技术研究中心主任。1986年毕业于浙江大学热物理工程学系低温工程专业。1989年获得中国科学院数理学部硕士学位。1991-1993年作为中法联合培养博士在法国原子能总署低温部完成博士论文。1993-1995年为中国科学院低温技术实验中心博士后。1995-1999年在中国科学院低温技术实验中心工作，历任副研究员、研究员、中心主任助理、中心副主任，1996年起任博士生导师。1999年至今在中国科学院理化技术研究所工作，其间1999-2007年任业务副所长。多年来主要从事低温制冷技术研究，特别是脉冲管制冷技术研究，在脉冲管制冷的原理和应用研究方面取得了一系列进展，曾获得国际制冷学会首届卡皮查奖（Peter Kapitza Prize）、国家发明三等奖、中国科学院青年科学家奖、全国优秀博士后奖等奖励，并获得国家杰出青年科学基金资助和中科院“百人计划”配套支持。发表论文200多篇，申请专利20余项。现任国际制冷学会A1专业委员会（低温物理与低温工程）副主席、中国制冷学会常务理事、国务院学位委员会第六届学科评议组动力工程及工程热物理组成员。
       尤立星，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，博士生导师。任超导电子学实验室主任和信息功能材料国家重点实验室副主任。在南京大学取得博士学位，先后在日本东北大学、瑞典Chalmers技术大学、荷兰Twente大学和美国NIST和加州大学伯克利分校从事超导电子学研究，具有丰富的超导电子器件与应用研究经验。于2007年9月加入中国科学院上海微系统与信息技术研究所。自主研发的SNSPD器件性能达到国际领先水平；合作实现量子信息以及卫星测距等系列国际领先应用演示，有力推动了我国量子信息领域科技进步。此外，他为科技部重点研发计划首席科学家，作为负责人牵头启动SNSPD首个国际标准（IEC61788-22-3）的制定工作，作为创始人创立了赋同科技，实现了SNSPD器件及系统商业化销售。尤立星研究员发表SCI学术论文140余篇，授权发明专利15项（含国际专利2项）。国际会议大会报告3次，邀请报告10余次。2019年获中国光学工程学会技术发明奖一等奖（排名第一）；2018年获国际电工委员会IEC1906奖；量子通信合作研究成果入选2014年两院院士评选的中国十大科技进展。