超导单光子探测器研究进展.pdf

—.超导单光子探测器研究进展张蜡宝,康琳,陈健,吴培亨南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所,南京摘要:超导单光子探测器是一种新型单光子检测器,它是利用超导超薄薄膜中的非平衡态的热电子效应—对单个光子信号进行检测,具有暗计数低和探测速率高等优点。本文概述了超导单光子探测器的工作原理、芯片的制备、检测系统的组成和性能指标的表征方法。综述了国内外研究进展和应用,分析了该项研究领域目前存在的问题和面临的挑战。关键词:超导单光子;光子信号检测;.中图分类号:文献标识码:,,,—,,:,——,.,.,,.,.:;引言单光子探测器简介量子信息是以量子力学的态叠加原理为基光子是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种础,通过量子系统的各种相干特性进行计算、编码规范玻色子,静止质量为零。单个光子的能量为和信息传输的全新信息方式。对单量子态的精密,普朗克常数,光波频率。以氦氖激光器定量检测,是理解和掌握量子态的特性和量子过发出的激光为例,波长.,频率约.×程规律的基础。在量子通信技术和量子密码学,单个光子的能量约.×。由此可见,单中,信息的基本载体就是单个光子。因而单光子光子检测技术是背景噪声远大于信号的检测技术,精密定量检测的实现,不仅可以加深人类对量子代表着辐射探测技术的极限水准。光子是离散的微观世界的认识,而且也是实现实用化的量子通粒子,单光子探测器输出的信号通常为离散的电压信技术和量子密码体系的技术保证。在大分子荧脉冲,每一个电压脉冲对应检测到一个人射光子。光检测、集成电路的快速无损检测、激光雷达、天为了应用的方便,实际应用中常将这个电压脉冲通文观测望远镜、质谱分析等领域都有着重要的应过电路转换为或Ⅵ信号。用前景。衡量单光子探测器性能的主要指标有暗计数、探测效率、探测速度和时间抖动。暗计数是指作者简介:张蜡宝一男,博士,南京大学教师,研究方向:超导电子器件、超导单光子探测器。电光系统第期除入射光子以外其他一切因素导致的光子计数。增管和雪崩二极管只能工作在可见和近红外波形成暗计数的原因主要有两种:探测器本身的噪段,并且暗计数非常高。如—在通讯声和背景噪声对测量系统的影响。由于暗计数是波段的探测效率约%,探测速率小随机产生的,通常采用单位时间的平均值来表示。于,暗计数高达。超导单光子探测实验上可通过测量一段时间内,在没有光子入射器,对通讯波段,目前报道的最高探测时系统的电压脉冲计数除以时间,即为暗计数,单效率是%,暗计数,探测速率。位为或。这种低噪声和高探测速度的性能,预示了超导单探测效率是指单光子探测器检测到的入射光光子探测器广泛的应用前景。子的概率。探测效率包含了光路传输效率、光耦合效率和探测器的量子效率三个部分。实验上可通超导单光子探测器过输入已知数量的光子除以检测到的光子数。这里做了三点假设:全部光子为单光子;,探测器能够分辨;暗计超导单光子探测器是近几年提出的一个新型数为零。实际上,由于光子的不确定性和暗计数的的单光子探测方法,它是利用超导超薄薄膜中的影响,探测效率的精确测量是很困难的。为了尽可非平衡态的热电子效应—·能准确的获得探测效率,需要保证输入的光子在单对单个光子信号进行检测。图是个光子量级,并且暗计数相对于探测光子数非常探测光子的工作机理示意图。芯片是小。更详细的定量分析可参考文献⋯。由~厚度的